Il y a seulement un siècle, l'idée même d'un astre dont l'influence gravitationnelle était si forte que la lumière ne puisse s'en échapper semblait absurde. Cependant, suite à l'avènement de la relativité générale et de la physique quantique, ainsi qu'au développement de nos technologies d'observations; on compris que cet astre pourrait très certainement exister, et même en assez grandes quantités. Bien qu'il ait une allure de science-fiction,il n'est en fait pas si compliqué à comprendre. Du moins au niveau de nos connaissances actuelles.
Ces astres, et vous l'aurez compris, sont ce que l'on appelle communément aujourd'hui des trous noirs.
Avant-propos:
En 1915, Einstein écrit sa très célèbre théorie de la relativité générale. Il faudra cependant plusieurs années aux physiciens pour la comprendre et l'accepter. Il leur faudra aussi un certain temps pour "résoudre" les équations qui régissent cette théorie. Une des solutions les plus célèbre est celle de la métrique de Schwarzschild, un astrophysicien allemand. |
| (Rayon de Schwarzschild) |
Celle-ci était la première solution exacte aux équation d'Einstein comprenant une masse.Cette solution est juste du moment que la relativité générale l'est. Ce qui est très probable. Ainsi, la relativité d’Einstein-Schwarzschild explique entre-autre ces principes:
- Tout corps possédant une masse déforme l'espace-temps dans lequel nous sommes. Cette déformation va forcer les lignes droites à être géodésiques. Pour faire simple, ce sont des lignes droites sur une surface déformée (plus précisément la distance la plus courte entre deux points). Prenez par exemple les méridiens du globe terrestre (les lignes verticales qui passent par les pôles). On s'accorde pour dire que, si on suit ces lignes, nous iront toujours tout droit; sans déviation. Mais comme la surface sur laquelle on suit ces lignes est courbe, elles sont donc elles aussi courbes.Mais ce, uniquement pour un observateur extérieur. Du point de vue de la Terre, elles sont rectilignes.Ce sont des géodésiques.Lorsque l'espace-temps se courbe sous l'effet de la gravitation, ces lignes aussi. Mais il est impossible pour nous de nous en rendre compte, contenus "à l'intérieur", faute de dimensions. Il faut bien comprendre que, pour nous, elles sont droites. Plus simplement, on peut dire que cette déformation créée une sorte de "puits gravitationnel". Cette idée, bien que quelque peu erronée, à l'avantage d'être plus simple à comprendre:
 |
| (Les lignes déformée dans le puits gravitationnel sont des géodésiques). |
- L'espace-temps, (ici représenté par une grille en 2 dimensions) est en réalité à 4 dimensions: 3 dimensions d'espace, 1 dimension temporelle. Toutes 4 sont déformées par la gravitation.
- Si un corps se rapproche d'un autre objet plus lourd, il "tombe" dans son puits comme une bille dans un bol:
- La profondeur de ce puits est proportionnelle à la masse de l'objet. Ainsi, plus un objet est lourd, plus le puits qu'il va engendrer sera important.
- Aussi, plus le corps est lourd (et donc le puits gravitationnel important), plus il faudra de vitesse à un objet tombé dans ce puits pour en sortir.
Cette vitesse est dite "de libération". Celle-ci se calcule par la formule:
Avec:
-G la constante gravitationnelle universelle (≈6,672 59 x 10^11 m^3 kg^-1 s^-2)
-M la masse de l'astre en kg
-R son rayon en mètres
Ainsi, on peut calculer la vitesse de libération de la Terre:
La masse la Terre est de: 5,9736 x 10^24 kg
Le rayon de la Terre est de: 6 371 km, soit 6 371 000 m
Alors:
Soit: 11,18454484 km/s
La vitesse de libération de la Terre est donc de 11,18454484 km/s.
En comparaison, celle du soleil est de 617,6 km/s...
Ainsi, on remarque que la vitesse de libération d'un objet augmente en fonction de l'augmentation de sa masse, ou lorsque son rayon diminue (plus l'objet est massif et petit, plus la vitesse de libération est élevée) .
- Enfin, rien ne vas plus vite que la lumière ( sa vitesse étant de 299 792 731 m/s)
*voire l'article correspondant.
____________________
Le terme "trou noir" est assez récent. Il a été créé en 1969 par le savant américain John Wheeler pour parler d'une idée vielle de 200 ans. En 1783, John Michell a publié dans le "Philosophical Transactions of the Royal Society", un travail dans lequel il remarquait qu'une étoile suffisamment massive et petite aurait un champs gravitationnel** si intense que la lumière émise par l'étoile ne pourrait s'échapper de celle-ci. Il pensait même qu'il pourrait y avoir beaucoup d'étoiles de ce genre , mais que nous ne pouvions donc pas les voir. Effectivement, ces étoiles apparaîtraient noires à nos yeux car elles ne réfléchissent pas la lumière, elles l'absorbent. Puisque nos yeux ne sont en fait sensibles qu'à la lumière, tout ce que nous voyons n'est que le "reflet" de celle-ci sur des objets. Par conséquent, nous ne voyons pas les trous noirs.
Finalement, leur nom leur est très bien attribué car c'est ce qu'il sont: des trous de l'univers que nous voyons noirs.
Pierre Simon de Laplace avait eut une idée semblable mais il ne la fit figurer que dans la première et la seconde édition de son livre: "Le Système du monde". Il l'ôta par la suite. Peut-être la trouvait-il trop saugrenue...
Or, les trous noirs existent bels et bien. Il existe d'ailleurs plusieurs sortes de trous noirs:
- Les trous noirs stellaires: Ce sont les plus courant et les plus étudiés. Ils sont de taille moyenne (quelques km) à nos yeux mais minuscules en réalité, nous y reviendrons.
- Les trous noirs primordiaux: Ce sont des trous noirs hypothétiques de toute taille qui auraient étés créés pendant ou peu de temps après le Big Bang.
- Les super géants: Ce sont ceux dont les effets gravitationnels ont le plus d'importance: la majorité des galaxies possèdent un trou noir super géant en leur centre. Par exemple, la Voie lactée, notre galaxie, possède en son centre l'immense trou noir nommé "Sagittarius A*" (l'astérisque faisant partie du nom réel). Les super-géants sont aussi très sûrement une sous-catégorie des trous noirs primordiaux.
Maintenant, pour comprendre ce qu'est exactement un trou noir, il faut comprendre comment il se forme.
On suppose que les trous noirs primordiaux, et donc les super-géants, sont apparus peu de temps après le Big bang.
Lorsque l'univers s'est dilaté, la matière qu'il contenait s'est mal répartie. Ainsi, certaines zones étaient très denses alors que d'autres quasiment vides. Dans les zones denses, la concentration de matière était parfois si importante que la gravitation a "obligé" cette matière à s'effondrer sous son propre poids. Ainsi, ce phénomène a créer une "boule" de matière dont le rayon diminuait constamment, mais pas la masse. Ensuite, cette "boule" a continuée à se contracter sous son propre poids pour finalement devenir une singularité gravitationnelle. Une singularité est généralement quelque chose qui aboutit à l'infini dans les théories mathématiques. Dans le cas des singularités gravitationnelles, celles-ci sont des points dans l'espace de densité infinie. Pour en revenir à notre vitesse de libération, on a vu précédemment que celle-ci augmente en fonction de la diminution du rayon de l'objet (plus il est est petit, plus elle augmente). Ainsi, étant donné qu'une singularité peut être infiniment petite, il suffit de n'importe quelle masse non nulle pour engendrer un trou noir. Par exemple, il ne faut pas spécialement plusieurs milliers de tonnes pour qu'un trou noir existe. Un grain de sel est assez massif pour engendrer un trou noir, seulement il sera d'autant plus minuscule. Pour vous donner un ordre de grandeur de la taille de la singularité par rapport a celle de l'objet de base, c'est comme si toute la Terre et ce qui s'y trouve se retrouvaient confinés dans une sphère de la taille d'une pomme.
Cependant, il faut tout de même une certaine masse pour engendrer les réactions qui donneront lieu au trou noir . C'est pour cela qu'il n'existe pas, ou vraiment extrêmement rarement, de trous noirs de moins de quelques kilomètres.
Ces réactions sont donc, soit liées au Big Bang, ce qui donne des trous noirs primordiaux; ou à l'effondrement d'une étoile, comme pour les trous noirs stellaires.
Le mot stellaire signifie: "relatif aux étoiles". Ainsi, on comprend que les trous noirs résultent d"une étoile. En effet, il existe dans l'univers quelques étoiles rares dites "super-géantes" (masse < 8 masses solaires). Ces étoiles sont assez particulières:
Pour survivre, une étoile doit créer des réactions nucléaires en transformant de l'hydrogène en hélium. Cela lui permet de contrer les forces gravitationnelles qui font pression autour d'elle.
Pour des étoiles de taille et de masse environ égale ou inférieures au soleil, une fois que celles-ci commencent à être à cour d'hydrogène, leur pression interne augmente. Comme tout gaz sous pression augmente de volume, les étoiles vont peu à peu grossir jusqu'à devenir des géantes rouges. Alors, elles consumeront leurs dernières réserves puis laisseront ensuite la force de gravitation l'emporter et réduiront considérablement de taille. Finalement, elles deviendront des naines blanches ou noires presque éternelles grâce au principe d'exclusion de Pauli (voir futur article).
Pour des super géantes, le scénario est différent. Les réactions nucléaires à l'intérieur de ce genre d'étoiles sont beaucoup plus puissantes et importantes que pour une étoile normale. Ainsi, lorsqu'une super géante est à cour d'hydrogène, elle fusionnera l'hélium en carbone , le carbone en oxygène, et ainsi de suite jusqu'à ce qu'elle ne le puisse plus (lorsqu'elle en arrive au Fer). Alors, les forces gravitationnelles vont aussi l'emporter au fur et à mesure et l'étoile va peu à peu se contracter. Sa pression interne va alors augmenter considérablement jusqu'à ce que les forces gravitationnelles ne puissent plus contrer cette dernière. Ainsi, l'étoile va exploser en supernovae, l'explosion la plus puissante dans l'univers (une bombe atomique puissance 20000). Seul le cœur de l'étoile va rester en état. Si celui-ci n'est finalement pas très très lourd, il deviendra une étoile à neutrons (un astre très intéressant qui fera l'objet d'un article dédié). Si il reste relativement lourd, alors il se contractera et deviendra: un trou noir stellaire. Un trou noir est stellaire est donc une singularité gravitationnelle qui résulte des restes d'une étoile géante...
D'après les théories actuelles, cette réaction est la seule, depuis le Big Bang, à pouvoir créer un trou noir.
Finalement, un trou noir n'est qu'une singularité. La sphère noire que l'on croit être un trou noir n'est qu'une illusion liée au fait que la lumière qui passe dans cette sphère ne peut plus nous atteindre. Mais pourquoi donc? Eh bien, comme nous l'avons vu précédemment, le rayon d'une singularité est infime et peut diminuer indéfiniment en fonction de la masse initiale de l'objet. Si l'on revient sur la vitesse de libération, on comprend que plus le rayon d'un objet est petit, plus la vitesse de libération est élevée (car les numérateurs de la division centrale auront un dénominateur moins élevé).
Ainsi, lorsque le rayon devient assez petit par rapport à la masse de l'objet pour que la vitesse de libération soit supérieure à celle de la lumière, cela devient un trou noir. Et puisque rien ne vas plus vite que la lumière, rien ne peut sortir d'un trou noir. Sa force gravitationnelle est plus forte que tout.
Heureusement, cette force a une "limite". Effectivement, Newton, dans sa théorie de la gravitation universelle disait je cite:"la force gravitationnelle entre 2 objets est inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. Cette phrase semble quelque peu barbare mais, en réalité, elle n'est pas si difficile à comprendre:
Ainsi, plus la distance entre deux objets est grande, moins la force de gravitation est puissante. Bien que la théorie de Newton ne soit plus tout à fait exacte dans son ensemble, il n'en demeure pas moins que cette formule est toujours vrai.
Pour en revenir à nos trous noirs. Plus on s'éloigne de ceux-ci, moins leur force gravitationnelle est forte. Il y a donc un endroit, une limite où; une fois s'être assez éloigné, la lumière n'est plus obligatoirement prisonnière du trou noir. Cette limite, c'est l'horizon des événements.
L'horizon des événements est une des choses les plus mystérieuse des trous noirs, ou tout du moins ce qu'il y a en-dessous. Les théories et paradoxes en découlant sont nombreuses. Les plus connus étant bien sûr le rayonnement de Hawking et le paradoxe de l'information.
D'après la théorie de la relativité générale, et comme nous l'avons vu précédemment, un trou noir ne peut émettre
Sources:
-Une brève histoire du temps, S. Hawking, Flammarion ®️.
-Trous noirs et bébés univers, S. Hawking, Odile Jacob ®️.
-Les Mystères de l'univers, H-Série (revue), Les mystères de la science ®️.
-Petite histoire de l'univers, S.Hawking, Flammarion ®️.
-Tout ce que nous ne savons pas encore le guide de l'inconnu, Jorge Cham et Daniel whiteson, Flammarion ®️.
On suppose que les trous noirs primordiaux, et donc les super-géants, sont apparus peu de temps après le Big bang.
Lorsque l'univers s'est dilaté, la matière qu'il contenait s'est mal répartie. Ainsi, certaines zones étaient très denses alors que d'autres quasiment vides. Dans les zones denses, la concentration de matière était parfois si importante que la gravitation a "obligé" cette matière à s'effondrer sous son propre poids. Ainsi, ce phénomène a créer une "boule" de matière dont le rayon diminuait constamment, mais pas la masse. Ensuite, cette "boule" a continuée à se contracter sous son propre poids pour finalement devenir une singularité gravitationnelle. Une singularité est généralement quelque chose qui aboutit à l'infini dans les théories mathématiques. Dans le cas des singularités gravitationnelles, celles-ci sont des points dans l'espace de densité infinie. Pour en revenir à notre vitesse de libération, on a vu précédemment que celle-ci augmente en fonction de la diminution du rayon de l'objet (plus il est est petit, plus elle augmente). Ainsi, étant donné qu'une singularité peut être infiniment petite, il suffit de n'importe quelle masse non nulle pour engendrer un trou noir. Par exemple, il ne faut pas spécialement plusieurs milliers de tonnes pour qu'un trou noir existe. Un grain de sel est assez massif pour engendrer un trou noir, seulement il sera d'autant plus minuscule. Pour vous donner un ordre de grandeur de la taille de la singularité par rapport a celle de l'objet de base, c'est comme si toute la Terre et ce qui s'y trouve se retrouvaient confinés dans une sphère de la taille d'une pomme.
Cependant, il faut tout de même une certaine masse pour engendrer les réactions qui donneront lieu au trou noir . C'est pour cela qu'il n'existe pas, ou vraiment extrêmement rarement, de trous noirs de moins de quelques kilomètres.
Ces réactions sont donc, soit liées au Big Bang, ce qui donne des trous noirs primordiaux; ou à l'effondrement d'une étoile, comme pour les trous noirs stellaires.
Le mot stellaire signifie: "relatif aux étoiles". Ainsi, on comprend que les trous noirs résultent d"une étoile. En effet, il existe dans l'univers quelques étoiles rares dites "super-géantes" (masse < 8 masses solaires). Ces étoiles sont assez particulières:
Pour survivre, une étoile doit créer des réactions nucléaires en transformant de l'hydrogène en hélium. Cela lui permet de contrer les forces gravitationnelles qui font pression autour d'elle.
Pour des étoiles de taille et de masse environ égale ou inférieures au soleil, une fois que celles-ci commencent à être à cour d'hydrogène, leur pression interne augmente. Comme tout gaz sous pression augmente de volume, les étoiles vont peu à peu grossir jusqu'à devenir des géantes rouges. Alors, elles consumeront leurs dernières réserves puis laisseront ensuite la force de gravitation l'emporter et réduiront considérablement de taille. Finalement, elles deviendront des naines blanches ou noires presque éternelles grâce au principe d'exclusion de Pauli (voir futur article).
Pour des super géantes, le scénario est différent. Les réactions nucléaires à l'intérieur de ce genre d'étoiles sont beaucoup plus puissantes et importantes que pour une étoile normale. Ainsi, lorsqu'une super géante est à cour d'hydrogène, elle fusionnera l'hélium en carbone , le carbone en oxygène, et ainsi de suite jusqu'à ce qu'elle ne le puisse plus (lorsqu'elle en arrive au Fer). Alors, les forces gravitationnelles vont aussi l'emporter au fur et à mesure et l'étoile va peu à peu se contracter. Sa pression interne va alors augmenter considérablement jusqu'à ce que les forces gravitationnelles ne puissent plus contrer cette dernière. Ainsi, l'étoile va exploser en supernovae, l'explosion la plus puissante dans l'univers (une bombe atomique puissance 20000). Seul le cœur de l'étoile va rester en état. Si celui-ci n'est finalement pas très très lourd, il deviendra une étoile à neutrons (un astre très intéressant qui fera l'objet d'un article dédié). Si il reste relativement lourd, alors il se contractera et deviendra: un trou noir stellaire. Un trou noir est stellaire est donc une singularité gravitationnelle qui résulte des restes d'une étoile géante...
D'après les théories actuelles, cette réaction est la seule, depuis le Big Bang, à pouvoir créer un trou noir.
Finalement, un trou noir n'est qu'une singularité. La sphère noire que l'on croit être un trou noir n'est qu'une illusion liée au fait que la lumière qui passe dans cette sphère ne peut plus nous atteindre. Mais pourquoi donc? Eh bien, comme nous l'avons vu précédemment, le rayon d'une singularité est infime et peut diminuer indéfiniment en fonction de la masse initiale de l'objet. Si l'on revient sur la vitesse de libération, on comprend que plus le rayon d'un objet est petit, plus la vitesse de libération est élevée (car les numérateurs de la division centrale auront un dénominateur moins élevé).
Ainsi, lorsque le rayon devient assez petit par rapport à la masse de l'objet pour que la vitesse de libération soit supérieure à celle de la lumière, cela devient un trou noir. Et puisque rien ne vas plus vite que la lumière, rien ne peut sortir d'un trou noir. Sa force gravitationnelle est plus forte que tout.
Heureusement, cette force a une "limite". Effectivement, Newton, dans sa théorie de la gravitation universelle disait je cite:"la force gravitationnelle entre 2 objets est inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. Cette phrase semble quelque peu barbare mais, en réalité, elle n'est pas si difficile à comprendre:
Ainsi, plus la distance entre deux objets est grande, moins la force de gravitation est puissante. Bien que la théorie de Newton ne soit plus tout à fait exacte dans son ensemble, il n'en demeure pas moins que cette formule est toujours vrai.
Pour en revenir à nos trous noirs. Plus on s'éloigne de ceux-ci, moins leur force gravitationnelle est forte. Il y a donc un endroit, une limite où; une fois s'être assez éloigné, la lumière n'est plus obligatoirement prisonnière du trou noir. Cette limite, c'est l'horizon des événements.
L'horizon des événements est une des choses les plus mystérieuse des trous noirs, ou tout du moins ce qu'il y a en-dessous. Les théories et paradoxes en découlant sont nombreuses. Les plus connus étant bien sûr le rayonnement de Hawking et le paradoxe de l'information.
D'après la théorie de la relativité générale, et comme nous l'avons vu précédemment, un trou noir ne peut émettre
__________
-Une brève histoire du temps, S. Hawking, Flammarion ®️.
-Trous noirs et bébés univers, S. Hawking, Odile Jacob ®️.
-Les Mystères de l'univers, H-Série (revue), Les mystères de la science ®️.
-Petite histoire de l'univers, S.Hawking, Flammarion ®️.
-Tout ce que nous ne savons pas encore le guide de l'inconnu, Jorge Cham et Daniel whiteson, Flammarion ®️.
-Petit Larousse de L'astronomie, Larousse ®️.
-L'univers à portée de main, C.Galfard, Flammarion ®️.
-https://www.nasa.gov
-http://www.cnrs.fr
-https://www.le-systeme-solaire.net
-http://www.astronautique.wikibis.com
-L'univers à portée de main, C.Galfard, Flammarion ®️.
-https://www.nasa.gov
-http://www.cnrs.fr
-https://www.le-systeme-solaire.net
-http://www.astronautique.wikibis.com
Aucun commentaire:
Enregistrer un commentaire