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Livres sur les trous noirs
Les trous noirs - Partie 1
- Partie 1 / 2 - Partie 2 / 2
| Souvent représentés de façon très imaginatives à travers les œuvres de sciences fictions, les trous noirs sont parmi les phénomènes célestes les plus mystérieux et les plus mal maîtrisés par la connaissance humaine, en opposition à leur notoriété pourtant planétaire pour le grand public. Tout le monde connaît les trous noirs, sans pour autant pouvoir en donner une définition constructive ni même sensée. Les trous noirs sont également sources de fantasmes car ils sont par définition invisibles, une belle image existe notamment quant à la tentative de détection de ces astres : Chercher un trou noir, c’est tenter de discerner une tache noire sur un fond noir… |
Origines du concept de trou noir
La théorie sur l’existence des trous noirs trouve son origine au XVIIIème siècle, lorsque Pierre Simon Laplace évoque l’existence de « corps obscurs aussi considérables, et peut-être en aussi grand nombre que les étoiles. Un astre lumineux de même densité que la Terre, dont le diamètre serait deux cent cinquante fois plus grand que celui du Soleil, ne laisserait en vertu de son attraction, parvenir aucun de ses rayons jusqu’à nous ; il est donc possible que les plus grands corps lumineux de l’Univers soient par cela même invisibles » (Luminet, 1796). Malheureusement pour lui, cette théorie était elle-même basée sur la théorie corpusculaire de la lumière élaborée par Isaac Newton.
Or, à cette époque, on croit à la nature ondulatoire de la lumière démontrée par Christiaan Huygens. Une onde n’étant pas sensible à la gravité, l’idée de trou noir est alors abandonnée.
Ce n’est que grâce à la théorie de la relativité d’Albert Einstein, théorie décrivant la courbe de l’espace-temps par la matière, que le modèle de trou noir sera réintroduit en physique.
Comment se forme un trou noir ?
Un astre invisible
Comment se forme un trou noir ? Avant toute chose il est important de préciser que les trous noirs sont des conceptions théoriques et mathématiques découlant directement de la théorie de la relativité générale d’Einstein, et que, même si leur existence est reconnue et admise par la grande majorité de la communauté scientifique, aucun spécimen n’a pas pu clairement être observé jusqu’à présent… La présence d'un trou noir ne peut-être révélée qu'indirectement : Par les émissions de rayons X de la matière capturée, ou alors par le comportement excentrique d'une étoile compagnon, ou bien encore par les expulsions de jet de plasma (visibles dans les ondes radio) occasionnées par des changements brutaux de champ magnétique au sein du disque d'accrétion entourant le trou noir.
Il existe différentes sortes de trous noirs : notamment les trous noirs stellaires et les trous noirs galactiques. Les trous noirs stellaires étant de loin les plus représentés dans l’Univers (ils seraient environ 1 million dans notre galaxie), ce sont eux dont nous détaillerons l’origine et la formation.
L'épilogue d'un cataclysme cosmique
Un trou noir est la conséquence de l’effondrement gravitationnel d’une étoile massive en fin de vie. Au cours de sa vie, appelée séquence principale, une étoile brûle son carburant stellaire, afin de résister au poids de sa propre gravité et d’empêcher qu’elle ne s’effondre en son centre. Pour ce faire, l’étoile a recours à la fusion thermonucléaire qui, à des températures très élevées (de l’ordre de 15 millions de kelvins) font fusionner les atomes d’hydrogène par deux, engendrant un atome d’hélium et dégageant une énergie colossale, selon le principe d’équivalence énoncé par Einstein : E=mc². Energie qui permettra alors l’apparition d’une force répulsive permettant de lutter contre la gravité… En fait, une étoile est une titanesque bombe H en perpétuelle explosion, mais qui n’a rien à voir avec celles que les hommes sont capables de fabriquer, puisque par exemple le Soleil est capable de fusionner des tonnes de matières par seconde ; pour schématiser sachons que toute l’énergie consommé sur le territoire des Etats-Unis en une année est libérée par fusion nucléaire en une seconde par le Soleil !
Il arrive forcément un moment où ce carburant d’hydrogène vient à manquer, pourtant si grande que l’étoile puisse être. Celle-ci doit alors puiser son hydrogène dans ses couches extérieures et gonfle alors de façon démesurée : elle devient une géante rouge. C’est également ce qui arrivera à notre Soleil dans 5 milliards d’années, et pour donner une idée de la taille d’une géante rouge, il suffit de s’imaginer que son diamètre atteindra alors l’orbite terrestre ! Une fois la fin de l’hydrogène consommée, puis l’hélium, 3 choix s’offrent à l’étoile pour mourir… Choix déterminés dès le départ par la masse de l’étoile.
- Soit l’étoile est d’une masse identique à notre Soleil, comprise entre 1 et 1.4, et alors elle expulsera sans violence sa matière stellaire dans l’espace, laissant seule rescapée une naine blanche.
- Soit sa masse est comprise entre 1.4 et 3.2 masses solaires, l’étoile explosera en supernova et son noyau, d’une densité bien plus importante qu’une naine blanche, deviendra une étoile à neutrons.
- Soit sa masse est supérieure à 3.2 masses solaires, et alors le noyau, après explosion de l’étoile en supernova, s’effondrera avec une telle densité qu’il deviendra un trou noir. Le phénomène d’effondrement en trou noir est une victoire totale de la gravitation, car plus rien ne peut freiner l’effondrement de la matière, qui se contracte jusqu’à une densité infinie, une température infinie, le tout en un point unique de l’espace : on appelle cela une singularité finale.
Trou noir et courbure de l'espace-temps
C’est la théorie de la relativité générale d’Einstein qui prédit l’existence de tels monstres célestes. Pour comprendre de façon simple ce que nous dit cette théorie, il suffit de se représenter la gravitation non pas comme une force, mais comme une courbure du tissu espace-temps. Il existe un exemple célèbre et simpliste qui permet de se représenter facilement le phénomène de courbure de l’espace-temps. Prenons un drap tendu, qui représente les 3 dimensions d’espace + celle du temps. Déposons sur ce drap une boule de pétanque, celui-ci se courbe sous le poids de la boule et tout corps qui se déplacera à proximité se verra attiré par la boule et tombera dans le trou créé par la boule. La boule crée donc un trou, une dépression au sein du drap, et plus son poids est important et plus le trou est profond, alors imaginez une boule d’une densité infinie…
Même la lumière, qui pourtant n’a pas de masse (les grains de photons sont de masse nulle), se verra attirée dans le puits sans fond. Elle, qui prend toujours le chemin le plus bref entre deux points (principe de Fermat), sera incurvée par le trou noir parce que c’est l’espace-temps lui-même qui est incurvé. En fait, elle va tout droit, mais dans une structure courbe. C’est en fait comme un homme qui déciderait de marcher toujours tout droit sur la Terre : Il aurait l’impression d’aller toujours tout droit et pourtant, la Terre étant ronde et non plate, il effectuerait un cercle !
Une prison éternelle
La lumière même ne peut donc s’échapper d’un trou noir, c’est d’ailleurs pour cela qu’on l’appelle ainsi, car on ne peut l’observer puisqu’il n’émet pas de lumière. On dit que c’est un corps noir parfait, il capte toutes les radiations mais n’en émet aucune. Le terme « trou noir » fut proposé par le physicien John Wheeler, en 1967, pour décrire une concentration de masse si importante que même les photons ne peuvent se soustraire à sa force gravitationnelle. Sur Terre, la vitesse de libération nécessaire pour s’affranchir de la force de gravité de la planète, est de 11 km/s. Sur le Soleil, la vitesse de libération est de l’ordre de 620 km/s.
Sur un trou noir, cette vitesse de libération est supérieure à la vitesse de la lumière, s'échapper est donc impossible, puisque la relativité nous dit que rien dans l’Univers ne peut se déplacer plus vite que la lumière ! Voici donc une explication de l’impossibilité pour un corps, quel qu’il soit, de s’échapper d’un trou noir.
L'horizon des évènements
Le seuil critique, point de non retour, d’où la lumière ne peut s’échapper s’appelle l’horizon des évènements. Si nous imaginons le trou noir comme une boule noire, c’est en fait l’horizon à partir duquel la lumière disparaît que nous voyons, puisqu’un trou noir n’a pas de surface. L’horizon n’est que la limite à partir de laquelle la lumière reste prisonnière du puits gravitationnel. Le rayon de cet horizon des évènements s’appelle rayon de Schwarzschild.
Il est important de comprendre que le rayon de Schwarzschild est un rayon qui est universel pour tout corps, car n’importe quel corps dans l’univers pourrait devenir un trou noir, y compris votre propre corps, pour peu qu’on le contracte jusqu’à la densité critique. Ce rayon détermine le volume que le corps doit occuper pour retenir la lumière en vertu de son attraction gravitationnelle.
Par exemple, le rayon de Schwarzschild du Soleil est de 2.9 kilomètres, alors que celui de la Terre est de 8 millimètres ! Mais n’ayez pas peur, de tels niveaux de compressions n’existent nulle part dans l’Univers, hormis bien sûr dans les trous noirs. Rapidement, voici comment calculer le rayon R de Schwarzschild d’un corps : Il suffit d’écrire que la vitesse de libération est plus grande que C, de définir la masse de l’astre central comme M, et G la constante de gravitation : l’équation s’écrit donc ainsi : R=GM/C². Un corps devient ainsi un trou noir lorsque sa taille est inférieure ou égale à son rayon de Schwarzschild, on appelle « paramètre gravitationnel » le rapport du rayon de Schwarzschild sur le rayon réel. Ce paramètre mesure la densité de l’objet et est, pour les objets courants, très inférieur à 1. Plus il est dense et plus il se rapproche de 1.
Le mystère de la singularité
Un concept qui échappe à la science
Lors de l’effondrement de l’étoile, lorsque la densité devient quasi infinie, les atomes et même les particules élémentaires sont broyés en une sorte de magma sans forme ni structure et le temps même cesse de s’écouler. Selon les équations, le fond d’un trou noir, la singularité, est alors un point mathématique et non plus physique, de densité et température infinie. Cela semble n’avoir aucun sens et c’est peut-être bien le cas, car ce résultat montre en réalité que la relativité générale ne fonctionne plus à ce niveau. Pour comprendre le phénomène de singularité, il serait nécessaire de créer une théorie d’unification des forces (gravitation, électromagnétique, nucléaire forte et nucléaire faible), de même que pour expliquer l’instant zéro de l’univers (où l’on parle également de singularité). A l’heure actuelle, la physique (relativiste ou quantique) ne sait pas répondre à la question des singularités.
Nous avons dit que le temps cessait de s’écouler à l’approche de la singularité, cela signifie concrètement qu’un objet tombant dans le trou noir, à la frontière de l’horizon, semblera, vu de l’extérieur, chuter indéfiniment. Ceci est une conséquence de la déformation quasi–infinie de l’espace-temps résultant de la formidable densité du trou noir. Toute l’information est alors perdue, même la lumière, tout… Sauf la masse, le moment angulaire, et la charge électrique.
Il convient de préciser qu’un trou noir n’est pas, comme on pourrait le croire en regardant les films hollywoodiens, un « aspirateur cosmique » qui avale à grande échelle des portions entières d’espace… Il ne va capturer que ce qui passe très près de lui. Pour schématiser, si on remplaçait notre Soleil par un trou noir de même masse, nous ne verrions aucune différence en terme de gravité !
Pas de singularité, mais des passages
Des trous de vers aux fontaines blanches
Pour pallier au problème de la singularité, la relativité permet d’envisager l’existence d’anti-trous noirs, qu’on a ainsi nommé « fontaines blanches » par opposition. Il s’agirait en fait de la symétrie inversée du trou noir, une sorte de porte de sortie pour la matière qui s’engouffre dans le puits sans fond.
Nous entrons alors dans un domaine où c’est essentiellement l’imagination qui œuvre, et non les calculs ou les observations. On pourrait alors supposer que les deux extrémités de ces puits communiqueraient via des « trous de vers » … Sortes de passages à travers l’espace-temps qui font fantasmer bon nombre d’amateurs de science fiction, plus que de théoriciens il faut dire … Car cette hypothèse semblent ne pas être très crédible, puisqu’en fait il remet finalement en cause le principe de singularité du trou noir. Cependant, dans le cas où les trous de vers seraient une réalité, il serait bien vain de s’imaginer voyager à travers l’espace-temps puisque au préalable les atomes de chaque corps qui emprunterait le passage se verraient broyer par la gravité.
Univers parallèles et multivers
Néanmoins, cette théorie des trous de vers à au moins le mérite de faire réfléchir, notamment sur le big-bang (notre Univers serait-il finalement issu d’une fontaine blanche ?) et sur les Univers parallèles (Multivers, ou Univers bulles)…
Détection des trous noirs : Comment voir l'invisible ?
Nous savons que les trous noirs existent car la relativité en prédit l’existence. Pourtant, leur nature même ne nous permet pas de les observer puisqu’ils emprisonnent tout rayonnement … D’où une certaine frustration pour les amoureux du ciel ! Si nous ne pouvons les voir, comment pouvons nous détecter leur présence ?
Il faut alors avoir recours à des méthodes indirectes, un peu comme pour observer les planètes extrasolaires.
Trahis par leur influence gravitationnelle
Si le trou noir est seul, on peut en détecter la présence en observant des mirages gravitationnels, c’est-à-dire l’image déformée d’un astre se trouvant derrière lui et dont la lumière a été gravement déformée lors du passage près du trou noir (effet de lentille gravitationnelle), avant d’arriver jusqu’à nous.
Si le trou noir fait partie d’un système binaire d’étoiles (la moitié des étoiles de la galaxie font partie d’un système binaire), deux méthodes de détection sont possibles.
L'excitation de la matière absorbée
Il s’agit tout d’abord de détecter de légères perturbations dans le mouvement de l’étoile visible, dues à la force d’attraction du trou noir, ce qui permet de déterminer la masse de celui-ci. Ensuite, la présence d’un disque d’accrétion autour du trou noir va provoquer une intense émission dans le domaine des rayons X, avec des variations très rapides. Ces variations très rapides trahissent la très petite taille de l’astre central. Plus on examine le disque d’accrétion auprès de l’astre, et plus le rayonnement X se décalera vers les basses fréquences, à cause du gaz chaud qui circule.
Le disque va ainsi apparaître de plus en plus rougi et faible au fur et à mesure qu’on approchera du centre. Evidemment, s’il s’agit bien d’un trou noir, le rayonnement disparaît dès lors que le gaz franchit l’horizon, en même temps que la luminosité, contrairement à une étoile à neutrons où le centre serait très lumineux. Cette expérience a déjà été validée par le télescope spatial Chandra, opérant dans le domaine des rayons X, qui a observé des émissions en rayons X de novae qui se sont révélées cent à mille fois plus faibles que d’autres, ce qui tend donc à démontrer l’existence des trous noirs.
Nous avons rapidement évoqué ci-dessus que seuls trois informations pouvaient nous parvenir d’un trou noir : sa masse, sa charge électrique et son moment angulaire (rotation) ... Grâce à cela, nous sommes en mesure de distinguer différentes sortes de trous noirs.