Processus et origines de la formation des trous noirs, y compris les lacunes de masse et les styles d'évolution.Les trous noirs se forment lorsque la matière est comprimée au-delà d'une densité critique, créant une attraction gravitationnelle si intense que rien, pas même la lumière, ne peut s'en échapper. La voie la plus courante est l'effondrement du cœur d'une étoile massive en fin de vie : lorsque la fusion nucléaire cesse, le cœur de l'étoile ne peut plus supporter son propre poids et implose, formant un trou noir de masse stellaire. Cependant, le processus n'est pas uniforme — il existe des « lacunes de masse » où des trous noirs de certaines masses sont rarement observés, ce qui suggère que différents mécanismes de formation opèrent dans différentes gammes de masses.
Le concept d'un corps dont la lumière ne peut s'échapper remonte à John Michell en 1783 et à Pierre-Simon Laplace en 1796, mais la théorie moderne est issue de la solution de Karl Schwarzschild en 1916 aux équations du champ d'Einstein. Le mécanisme spécifique de formation par effondrement stellaire a été clarifié par J. Robert Oppenheimer et Hartland Snyder en 1939.
L'effondrement du cœur commence lorsqu'une étoile de plus d'environ 8 masses solaires épuise son combustible nucléaire. Le cœur, désormais composé de fer, ne peut plus fusionner et s'effondre sous l'effet de la gravité en quelques millisecondes. Si la masse du cœur dépasse la limite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff (environ 2 à 3 masses solaires), aucune force connue ne peut arrêter l'effondrement, et un trou noir se forme. Pour les étoiles plus lourdes, une partie de la matière est éjectée lors d'une supernova, mais un trou noir résiduel subsiste. D'autres voies incluent l'effondrement direct d'étoiles très massives dans l'univers primordial, qui peut contourner la phase de supernova, et la fusion de deux étoiles à neutrons, qui peut produire un trou noir si la masse combinée dépasse la limite.
Comprendre les mécanismes de formation aide les astrophysiciens à interpréter les signaux d'ondes gravitationnelles de LIGO et Virgo, révélant les masses et les spins des trous noirs en fusion et testant les prédictions sur les lacunes de masse.
La première détection directe d'ondes gravitationnelles en 2015 provenait de la fusion de deux trous noirs, chacun d'environ 30 masses solaires — une gamme de masses auparavant inattendue qui suggérait des voies de formation distinctes de l'évolution stellaire ordinaire.
| M_{\rm PBH} | variable | mass of the primordial black hole — masse kilogram |
| M_{\rm eq} | variable | horizon mass at matter-radiation equality — masse kilogram |
| T_{\rm eq} | variable | temperature at matter-radiation equality — température kelvin |
| T_\star | variable | temperature at formation time — température kelvin |
| δM | variable | Infinitesimal change in black hole mass — masse kilogram |
| κ | variable | Surface gravity of the black hole — gravité de surface metre per second squared |
| δA | variable | Infinitesimal change in horizon area — aire square metre |
| Ω_H | variable | Angular velocity of the horizon — vitesse angulaire radian per second |
| δJ | variable | Infinitesimal change in angular momentum — moment cinétique kilogram square metre per second |
| δ | opérateur | Infinitesimal variation of a quantity — variation |
