Les Trous noirs

Le premier à avoir prévu l'existence des Trous noirs fut le marquis de Laplace (astronome du 18ème siècle): en toute logique il s'est dit que pour s'échapper de la surface d'une planète ou d'une étoile, un objet doit avoir une vitesse suffisante (vitesse de libération: ainsi les fusées quittent la Lune à 2 km par seconde, la Terre à 11 km/s, pour le Soleil il faudrait 600 km/s). On peut donc imaginer un objet céleste nécessitant une vitesse d'échappement supérieure à 300000 km/s: dans ce cas même la lumière ne pourrait pas sans échapper, il serait donc invisible, ce serait un trou noir.

Définition générale d'un trou noir

Qu'est-ce qu'un trou noir en réalité ? Si, par hasard, vous aviez l'opportunité d'interviewer un astronome ou un physicien et que vous lui demandiez tout simplement de vous définir ce qu'est un trou noir, scientifiquement parlant, il vous répondrait sûrement : Un trou noir est un astre astronomique tellement compact, tellement dense, que la force d'attraction qu'il exerce sur toute chose qui l'entoure, matière ou lumière, provoque inexorablement la chute de cette matière sur ce corps ou bien empêche la lumière qu'il serait susceptible d'émettre de quitter ce corps, d'où le nom de trou noir.

Au premier coup d'œil, cette définition peut vous sembler assez compliquée. En fait, plus vous avancerez dans votre lecture, plus vous comprendrez sa signification. Puisque les trous noirs sont des astres ayant une masse extrêmement grande compressée dans un volume infiniment petit, ils auront comme effet de courber l'espace-temps à sa proximité. Ainsi, toute matière dérivant dans son voisinage sera déviée. Bien sûr, cette déviation sera influencée en grande partie par la distance entre l'objet et le trou noir. Logiquement, plus cette matière passera proche du trou noir, plus elle y sera attirée. Par contre, je considérerai ce point dans un autre chapitre qui sera plus approprié à cet aspect.

Qu'est ce qu'un Trou Noir ?

C'est un corps effondré sur lui même dont la gravité est si forte que même la lumière ne peut s'en échapper. Des objets peuvent tomber dans un trou noir mais ne peuvent en sortir. En physique classique (Newtonienne), on est dans le cas d'un trou noir si la vitesse de libération à sa surface (= racine carrée(2GM/R) où G=constante de gravitation, M=masse, R=rayon) est supérieure à la vitesse de la lumière: le corps est alors invisible, son rayon est très petit pour une masse très élevée.

Comment se forme un trou noir ?

Dans les années 30, des physiciens (Landau et Chandrasekhar) ont montré qu'il existe une masse limite au dessus de laquelle un astre froid ne peut rester en équilibre et s'effondre sous son propre poids. Une étoile est pendant des milliards d'années dans un état d'équilibre: la force de gravitation qui tend à comprimer la matière au centre, est contrebalancée par l'énergie qui se dégage des réactions nucléaires. Au bout d'un moment les couches externes se dilatent fortement (géante rouge) alors que le carburant (hydrogène) s'épuise. Le noyau se comprime alors, pendant que les couches externes s'échappent, faisant croitre la température du noyau à 50 milliards de degrés; on obtient ensuite une naine blanche, morceau inerte, très compressé, et devenu froid. Si la masse du noyau est supérieure à 1.5 celle du soleil, la compression peut se poursuivre jusqu'à un pulsar (étoile à neutrons émettant des faisceaux de rayonnement, en tournant sur elle même, comme un phare). Si la masse du noyau de l'étoile est supérieure à 3 fois celle du soleil, la force de gravitation est si intense, que l'on obtient un trou noir.

Structure simple d'un trou noir et de son environnement :

  1. Dans un certain nombre de cas, autour du Trou noir se trouveraient des sortes d'anneaux de matière en orbite circulaire, composés principalement de gaz chaud et émetteurs de rayonnement; on parle alors de disque d'accrétion, celui ci tombant en spirale à l'intérieur du trou noir.

  2. La surface du Trou noir est une membrane virtuelle, non matérielle qui correspond à la sphère à l'intérieur de laquelle les rayons lumineux ne peuvent plus sortir; c'est l'endroit à partir duquel la vitesse de libération est supérieure à la vitesse de la lumière; cette frontière s'appelle l'horizon des évènements et se présente comme une boule noire. La distance séparant le centre de cet horizon est appelée rayon de Schwarzschild. Juste sur sa surface peuvent se trouver aussi des rayons lumineux piégés qui se recourbent sur eux mêmes et forme des cercles (sorte d'auréole). Certains trous noirs ont plusieurs horizons (interne, externe, et ergosphère), mais on en restera là pour aujourd'hui !

  3. Le vrai Trou noir est en fait son centre, contenant l'essentiel de sa masse, de densité infinie et d'un rayon tendant vers zéro: cet endroit est appelée singularité. Au sens mathématique c'est une zone (un point) où certaines quantités deviennent infinies; ainsi en relativité on peut penser qu'une singularité est une zone où la courbure de l'espace temps devient infinie. Stephen Hawking et Roger Penrose, deux chercheurs dont les conférences dans ce domaine sont très célèbres, ont beaucoup travaillé sur les singularités, avec le symbolisme des géodésiques. L'espace y est déformé par la très forte gravité et tout rayon lumineux passant à proximité se trouve dévié voire englouti à jamais.

Quelques chiffres à retenir:

Trous noirs possibles:

Au centre des galaxies, se trouveraient des trous noirs énormes. La galaxie d'Andromède (M31) comporterait en son centre un trou noir. Le coeur de notre galaxie contiendrait un trou noir de 3 millions de masses solaires. Le grand annihilateur: un trou noir possible de 10 masses solaires à 300 années lumières du centre de notre galaxie. Cygnus X1: célèbre pour avoir été détecté en 1970 car le 1er, d'un diamètre de 30 km environ pour 10 masses solaires et se trouvant à 6000 années lumières de la Terre, il aspire la matière de son compagnon, une supergéante.

Des phénomènes étonnants !

Rayons lumineux déviés: Nous voyons grâce à nos yeux bien sûr, mais aussi parce que des rayons lumineux (composés de photons) se promènent dans tout l'univers; ceux ci, émis par des sources lumineuses, réfléchis ensuite sur les objets (planètes ...) arrivent ensuite jusqu'à nos yeux avec une certaine longueur d'onde. Dans le cas d'un Trou noir, la gravitation est telle que des rayons lumineux passant à proximité de celui ci sont déviés vers l'horizon des évènements; s'ils sont assez prêts ils sont engloutis, sinon ils vont entourer en orbite le trou, et enfin s'il ne sont pas trop prêts, ils sont seulement déviés et peuvent ainsi nous parvenir; dans ce dernier cas on observe un phénomène parfois extraordinaire: une étoile située derrière le trou noir, donc théoriquement invisible, peut être vue en double de chaque côté du trou grâce à la déviation des rayons lumineux qui au lieu de s'écarter à l'infini vont se recourber légèrement autour du trou noir des 2 côtés pour nous parvenir: d'où parfois le nom d'étoile double.

Déformation du temps: A l'approche de l'horizon des évènements le temps s'écoule beaucoup plus lentement que très loin du trou noir. La force de gravitation perturbe ainsi l'écoulement du temps. Ce phénomène est sûrement un des plus complexes à imaginer et à expliquer. A titre d'illustration si on observait un astronaute plongeant dans un trou noir, on le verrait ralentir sa course pour finalement planner pendant un temps infini au dessus de l'horizon des évènements, alors que pour lui le temps s'écoulerait normalement !

Effet de marée: Il s'agit des forces d'attraction qui sont différentes en fonction de la distance au centre du trou noir: proche de celui ci ces différences sont énormes et dans ce cas un astronaute ne pourrait survivre à ces effets. Mais le plus bizarre est que ce sont les petits trous noirs qui ont le puits gravitationnel le plus abrupt et donc les effets de marée les plus prononcés.

La non simultanéité des actions: Ce phénomène nous met bien dans l'embarras: les rayons lumineux se propageant à "seulement" 300000 km/s, ce que nous voyons dans nos téléscopes n'est pas forcément ce qui est, mais ce qui a été. Ainsi nous voyons la Lune telle qu'elle était il y a 1 seconde; pour le soleil il y a un décalage de 8mn; pour la superbe galaxie d'Andromède, située à 2.2 millions d'années lumières de nous, nous la regardons dans un état qui était celui il y a plus de 2 millions d'années, mais aujourd'hui, comment est elle ? Existe t 'elle toujours ? Tout ceci n'est bien sûr pas l'oeuvre des Trous noirs mais méritait d'être souligné, d'autant que dans l'observation de ceux ci, il faut en tenir compte pour essayer d'"anticiper " ce qui est ajourd'hui.

Des ouvrages et des liens Internet:

Quelles sont les étoiles concernées?

Les étoiles concernées sont les cadavres stellaires des supernovae, si ces cadavres ont une masse supérieure à 3 masses solaires. Ces étoiles deviennent alors des trous noirs. Une étoile qui répond à cette condition s'effondre jusqu'à ce que son rayon atteigne une certaine valeur appelée rayon de Schwarzschild.

Pourquoi aucun objet ne peut ressortir d'un trou noir ?

Un trou noir est très dense. De ce fait, son attraction gravitationnelle est très élevée. Pour lui échapper, un objet devrait atteindre une vitesse très proche de celle de la lumière.

Pourquoi dit-on qu'un objet attiré par le trou noir ne disparaît jamais ?

L'objet disparait, mais un observateur le verrait ralentir à l'approche du trou noir puis s'immobiliser. Cela est du à l'extrême densité du trou noir. Il entraine une courbure de l'espace-temps, d'où l'impression d'immobilité. De plus, cette courbure est responsable de l'invisibilité des trous noirs. Normalement, les photons qui composent la lumière ne devraient pas être piégés puisqu'ils n'ont pas de masse. Mais la courbure emprisonne la lumière.

Qu' y a t-il à l'intérieur d'un trou noir ?

Cela reste un grand mystère. Si l'on considère un trou noir sur le modèle de Kerr, c'est-à-dire un trou noir en rotation, les calculs montrent que si on approche du trou noir d'une certaine façon, il n'y a plus attraction mais répulsion. Il devient donc théoriquement possible de quitter le trou noir. Mais ce serait pour se retrouver soit dans "l'espace négatif", qui n'a pour l'heure aucune signification physique, soit dans un autre univers, ce qui signifie non seulement dans un lieu différent mais aussi dans un temps différent. Cette dernière hypothèse correspond au "trou blanc", sorte de trou noir qui n'absorberait rien et rejetterait tout.

Existe t-il d'autres modèles de trous noirs ?

Le modèle le plus simple est le modèle de Schwarzschild. Il décrit un trou noir statique. Le dernier modèle est le modèle de Reissner-Nordstrom qui décrit des trous noirs chargés. Mais beaucoup de physiciens ont des doutes sur leur existence. Le modèle le plus probable est le modèle de Kerr puisque l'étoile qui a donné le trou noir était elle-même en rotation.



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