Trou noir

« Trou noir » expliqué aux enfants par Vikidia, l’encyclopédie junior
Aller à : navigation, rechercher
Super article Tu lis un « super article ».
Première image réelle d'un trou noir, nommé M87*, au centre de la galaxie M87
Un trou noir placé entre nous et une galaxie perturbe la lumière qui nous arrive autour de lui. C'est le phénomène de lentille gravitationnelle. (Il s'agit d'une vue d'artiste et non d'images réelles.)
Les trous noirs sont des objets de l’espace qui créent une gravité tellement grande que même la lumière à proximité semble tomber dedans sans jamais pouvoir s'en échapper. Ils sont encore aujourd'hui mal compris et sont le sujet de nombreuses recherches.

Qu’est-ce qu’un trou noir ?[modifier | modifier le wikicode]

Les trous noirs sont des objets dans l'univers très massifs mais de petite taille (par rapport aux autres objets de l’univers comme les étoiles). Ils ont pour particularité d’emprisonner tout ce qui se trouve à leur proximité, même la lumière.

D'après la théorie de la gravitation, plus un objet est massif, plus il attire les autres objets proches vers lui. Dans la vie de tous les jours, les objets ne sont pas assez massifs pour que l'on ressente cet effet (on ne verra pas une bille posée à côté d’une bouteille d’eau se faire attirer par la bouteille). Cependant, de très gros objets comme la Terre ont une masse assez importante pour que leur gravité se fasse sentir. Ainsi, chaque objet est attiré vers la Terre, ce qui explique que lorsqu'on lance un objet, il retombe au sol. C’est aussi cette gravité qui fait que la Terre tourne autour du Soleil et que la Lune tourne autour de la Terre. Sinon, la Lune comme la Terre partiraient seules, tout droit dans l’espace.

Structure d'un trou noir.png
Plus la distance est grande entre deux objets, moins ils vont s’attirer entre eux. Ainsi, si on lance un objet, par exemple une pomme, en l’air, elle va mettre du temps à retomber, temps qui va être plus grand selon la force avec laquelle on lance la pomme. Si on la lance assez fort, on peut lui procurer une vitesse assez grande pour qu'elle ne retombe jamais (elle part alors dans l'espace). C’est aussi cette vitesse (dite « de libération ») que doivent atteindre les fusées pour échapper à l’attraction terrestre et ainsi aller dans l’espace. Or, plus les objets sont massifs, et les distances courtes entre eux, plus la vitesse de libération est grande. Un trou noir a une vitesse de libération plus grande que la vitesse de la lumière. La lumière ne peut donc jamais sortir d'un trou noir. Comme aucun objet dans l'univers ne peut dépasser la vitesse de la lumière, aucun objet ne peut atteindre la vitesse de libération d'un trou noir : rien ne peut donc s’en échapper.

Histoire[modifier | modifier le wikicode]

En étudiant l'orbite des étoiles du centre de la Voie Lactée, on en déduit l'existence d'un astre très massif mais invisible. Sans cet astre (Sagittarius A*), ces étoiles prendraient des chemins différents.

L'idée des trous noirs a été exprimée, pour la première fois, par Pierre-Simon de Laplace et John Michell en 1796. Alors que la vitesse de la lumière était connue (300 000 kilomètres par seconde), ils partagèrent l'idée qu'un objet très massif puisse avoir une vitesse de libération supérieure à celle de la lumière. Ils montrèrent que la gravité d'une planète 250 millions de fois plus massive que la Terre pouvait empêcher tout rayon lumineux de s'en échapper. Cette théorie ne fut pas bien reçue car les astronomes doutaient fortement qu'un tel objet puisse exister.

L’idée a commencé à interpeller la communauté scientifique après que Karl Schwarzschild et Robert Oppenheimer proposèrent chacun, respectivement en 1915 et 1935, une interprétation des résultats des équations de la relativité générale d'Albert Einstein. Il a fallu attendre 1968 pour que le physicien américain John Wheeler nomme ces objets « trous noirs ». Auparavant, ils n’étaient pas connus et n’étaient qu’une idée des mathématiciens et physiciens qu’ils appelaient « effondrement gravitationnel ». Le premier trou noir fut détecté en 1971 dans la constellation du Cygne.

En 1974, Bruce Balick et Robert L. Brown détectent un astre extrêmement massif au centre de la Voie Lactée qu’ils baptisent Sagittarius A*. Il a fallu attendre la fin des années 1990 pour que sa nature de trou noir supermassif soit prouvée. Cette conclusion était rendue difficile par la faible activité de ce trou noir, dit « au repos » car il aspire actuellement peu de matière, alors qu'elle est en présence pourtant abondante dans son environnement proche.

Comment peut-on les observer ?[modifier | modifier le wikicode]

Rayons X émis par le disque d'accrétion[modifier | modifier le wikicode]

La méthode la plus directe est de prendre une photo mais en enregistrant les rayons X au lieu de la lumière visible. Les étoiles ne produisent généralement pas de rayons X, contrairement à la matière qui tourne autour d'un trou noir (le disque d'accrétion) et qui s’échauffe à de très hautes températures.

Dans l'image de Cygnus X-1 prise aux rayons X ci-dessous, on ne voit pas son étoile-compagnon (la supergéante bleue HDE 226868) car celle-ci n'émet pas de rayons X. C’est le gaz arraché à cette supergéante qui émet des rayons X en chauffant très fort à cause des frottements dans le disque d'accrétion.

Autres méthodes[modifier | modifier le wikicode]

Environnement proche du trou noir supermassif Sagittarius A* au centre de notre galaxie.

Comme on ne peut pas observer directement les trous noirs sans disque d'accrétion, on utilise d’autres techniques telles que la mesure de leur influence sur leur environnement proche. En général, un trou noir est entouré de matière stellaire comme des étoiles ou du gaz sous forme de nuages. Si une étoile est à proximité, elle va décrire un mouvement de rotation sous l’influence de l'attraction du trou noir. Elle sera trop loin pour que sa matière soit avalée, mais sa rotation très particulière va permettre aux scientifiques de conclure à la présence d’un trou noir proche. En étudiant aussi la taille des galaxies, si l'une d'elles semble anormalement grande, on peut supposer la présence d’un trou noir entre elle et nous, car un trou noir agit comme une lentille et déforme l’apparence de la galaxie en déviant une partie de sa lumière. C'est le phénomène de lentille gravitationnelle. Il est également possible de déterminer la masse du trou noir avec cette méthode !

On peut aussi détecter des trous noirs grâce aux ondes gravitationnelles produites lorsque des astres massifs (comme les trous noirs) entrent en collision. Il est alors possible de déterminer leur position et leur masse.

Enfin, les trous noirs pourraient aussi émettre un rayonnement, appelé rayonnement de Hawking. Malheureusement, nous ne sommes pas capables de le percevoir à l’heure actuelle.

Les types et les rôles des trous noirs[modifier | modifier le wikicode]

Les deux populations de trous noirs confirmées par l’observation : à gauche, les trous noirs détectés dans les rayons X (en violet), comme Cygnus X-1, à droite, les trous noirs plus massifs détectés par les ondes gravitationnelles représentés avant et après leur fusion (en bleu).

Crédit : LIGO/Virgo/Caltech/MIT
Source : www.astronomes.com

Il existe différents types de trous noirs, chacun possédant une origine différente. On suspecte même certains d’entre eux de jouer un rôle essentiel dans certains phénomènes encore incompris de l’univers.

1. Stellaires[modifier | modifier le wikicode]

Ce sont les trous noirs « classiques ». Ils sont formés lors de la mort d'une étoile supergéante très massive (jusqu’à 100 fois la masse de notre Soleil). Alors que le carburant d'une étoile est généralement l'hydrogène, une étoile supergéante réunit des conditions de température et de pression qui permet la fusion de l'hydrogène en hélium. C'est d'ailleurs cette réaction qui entraîne un grossissement si important de l'étoile en fin de vie. En fonction de la masse de l'étoile, il va être possible que l'hélium fusionne en carbone, puis le carbone en oxygène, puis l'oxygène en silicium et ainsi de suite jusqu'à ce que l'étoile produise du fer. Or, le fer est un élément très stable, ce qui arrête les réactions. De ce fait, la gravité n'est plus compensée et toute la matière de l’étoile se comprime vers le centre à cause de l'attraction, jusqu'à atteindre une taille si petite avec une densité tellement forte que la lumière finit par ne plus être assez rapide pour s'échapper de la surface.

Étant donné qu’ils sont très difficiles à observer, il est également difficile d’estimer leur nombre. On estime qu’il peut y avoir, dans notre galaxie, jusqu'à 100 millions de trous noirs stellaires (soit 1 trou noir pour 3 000 étoiles).

2. Intermédiaires[modifier | modifier le wikicode]

Un trou noir intermédiaire est beaucoup plus lourd qu'un trou noir stellaire (jusqu'à 10 000 fois le poids de notre Soleil). Leur formation, encore hypothétique, proviendrait de plusieurs étoiles de métallicité (la quantité de matière « lourde » comme du métal qu’elles contiennent) particulièrement faible ayant fusionné entre elles pour donner le trou noir. Ces étoiles, appelées « Étoile de population III » sont théoriques car elles n’ont encore jamais été observées. Elles seraient apparues lors de la création de l'Univers, lors de la nucléosynthèse primordiale.

3. Supermassifs ou galactiques[modifier | modifier le wikicode]

Les trous noirs supermassifs sont des trous noirs de plusieurs millions de fois plus lourds que notre Soleil (le plus gros jamais observé est 21 milliards de fois plus lourd que le Soleil). Bien que nous n’ayons aucune certitude sur leur formation, nous savons qu’ils ont pour particularité d’avoir une densité (une masse pour un certain volume de matière) relativement faible, environ celle de l’eau. De plus, ce sont les seuls trous noirs pour lesquels il est possible de franchir l’horizon des évènements (sans subir des violentes forces de marées et être étiré dans tous les sens). Ce dernier est la limite, un point de non-retour, à partir de laquelle plus rien, même pas la lumière, ne peut s'échapper du trou noir.

4. Primordiaux[modifier | modifier le wikicode]

Ils n’ont encore jamais été observé, leur existence est donc hypothétique. Leur existence a été suggérée par les physiciens soviétiques Yakov Zeldovitch et Igor Novikov en 1966. Les trous noirs primordiaux sont des trous de petites tailles, formés pendant les premières secondes de l’Univers selon la théorie du Big Bang. Ils sont très petits et très légers. Leur masse est supposée inférieure à une masse stellaire. Ils ont sans doute subi une évaporation pour ensuite disparaître en explosant.

Que se passe-t-il si on s’en approche ?[modifier | modifier le wikicode]

S'approcher d'un trou noir.png

Quand un objet va s’approcher d’un trou noir, il sera attiré de plus en plus à cause de sa forte gravité. Cependant il est possible pour l’objet de s’en échapper. En effet, il existe une limite au delà de laquelle il est impossible de s’échapper du trou noir : on l’appelle l’horizon des événements. À partir de cette limite il faudrait, pour s’échapper de la gravité du trou noir, une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière, qui est impossible à dépasser. Cependant, cet horizon dépend de la masse du trou noir. Sa masse a donc différentes conséquences sur l’objet qui s’en serait trop approché :

  • Elle peut déformer les objets qui s'en approchent : sur Terre, la gravité diminue avec le distance, ce qui engendre une force de gravité différente entre le haut et le bas d'un objet (le haut de l'objet étant un peu plus loin de la Terre que le bas de l'objet). Mais dans le cas d'un trou noir, la gravité est tellement grande que cette différence de force est elle aussi très importante ! Au final, l'objet sera attiré beaucoup violemment sur le côté rapproché du trou noir que sur le côté lui tournant le dos, ce qui va l'étirer comme un spaghetti. On appelle donc ce phénomène la « spaghettification » (dite aussi « effet de nouilles »). Le fait qu'un objet soit plus attiré d'un côté que de l'autre par un astre est appelé « effet de marée » (son nom provient du fait que c'est l'effet qui est à l'origine des marées de la mer sur Terre). Plus le trou noir est massif, plus l’horizon est grand et moins cet effet de marée sera puissant.
  • Elle peut aussi permettre au tour noir d'émettre des particules. Pour cela, il faut qu’un couple de particules-antiparticules se forme dans l’Univers, (ex : proton-antiproton). Ce couple doit également être à proximité de l’horizon des événements d’un trou noir. Dans ce cas, il est possible qu'un élément du couple soit absorbé par le trou noir. L’autre élément sera rejeté dans l’espace, après avoir « surfé » sur la limite de l’horizon. Pour un observateur, il aura l’impression que le trou noir émet une particule, on appelle cela le rayonnement de Hawking. Pour le trou noir, sa masse diminue car la particule qui tombe dedans se désintègre avec une autre particule du trou noir. On appelle cela l’évaporation du trou noir.

Peut-on créer un trou noir ?[modifier | modifier le wikicode]

Image décrivant le rayonnement de Hawking, extraite du site : http://lirelactu.fr/source/sciences-et-avenir/b7aef2cb-9f75-4a2d-a33a-877eaa748c16
En théorie, des trous noirs peuvent être créés dans des accélérateurs de particules. Mais ces trous noirs-là sont vraiment très petits et leur durée de vie extraordinairement courte, tellement courte qu'ils s'évaporent avant même d'avoir rencontré d'autre matière. (Cette évaporation s'appelle le rayonnement de Hawking.) Il est donc impossible en pratique que de tels trous noirs puissent gagner suffisamment de masse pour devenir un danger pour la Terre.

Des trous noirs de ce type sont aussi créés dans la haute atmosphère de la Terre ou sur la Lune à cause des rayons cosmiques.

Les seuls trous noirs dont l'existence ne fait quasiment aucun doute ont une masse au moins trois fois supérieure à celle du Soleil. Et ceux-là, l'Homme ne peut pas les créer !


Idées reçues[modifier | modifier le wikicode]

Les trous noirs sont des objets assez mystérieux dus au fait qu’ils sont très compliqués à observer et qu’ils semblent défier les lois de la physique que nous avons l’habitude de voir. De ce fait, ils font travailler l’imagination de chaque personne qui essaye de comprendre, mais cette imagination mène souvent à de mauvaises interprétations. Voici donc quelques idées reçues que nous allons clarifier :

Les trous noirs « aspirent » la matière ?[modifier | modifier le wikicode]

Aussi connu sous le nom d’« aspirateurs galactiques », les trous noirs sont, dans l'imaginaire collectif, des objets qui aspirent tout autour d’eux comme un monstre qui mange tout ce qu’il voit. En réalité, cette vision est décalée de la réalité scientifique. Un trou noir est un objet possédant une gravité comme toute autre étoile ou planète. C’est cette gravité seule qui attire la matière, mais, de la même façon qu’un satellite orbite autour de la terre grâce à la gravité terrestre, un vaisseau ou une étoile peut très bien orbiter autour d’un trou noir. Vu que la gravité ne dépend que de la masse de l’astre, si on remplace notre Soleil par un trou noir qui a la même masse, toutes les planètes du système solaire vont continuer à tourner comme si de rien n'était (mis à part qu’il fasse un peu plus sombre). De même, si un vaisseau spatial s’approche d’un trou noir, il a largement le temps de le contourner et même de tourner autour sans prendre de risque.

Les trous noirs sont des trous dans l’Univers ?[modifier | modifier le wikicode]

Les trous noirs portent assez mal leur nom. D’une part parce que ce ne sont pas des trous, mais aussi parce que, d’après les dernières études (concernant le rayonnement de Hawking cité plus haut), ils ne sont pas vraiment noirs. Il ne s’agit que d’une accumulation de matière compressée dans un espace minuscule (plus petit qu’une tête d’épingle). Il faut plutôt les considérer comme un puits sans fin.

On peut créer des trous noirs ?[modifier | modifier le wikicode]

On n'en est pas sûr... On entend souvent que dans des accélérateurs à particule (comme au LHC du CERN à Genève en Suisse), les physiciens peuvent créer des micro trous noirs (les plus petits trous noirs qui puissent exister, semblables aux trous noirs primordiaux) en faisant entrer deux particules en collision à des vitesses vertigineuses.

En réalité, l’énergie nécessaire pour cela est immense et nous sommes très loin de pouvoir l’atteindre. Mais il existe un doute sur la nature même de l’espace et du temps qui pourrait revoir cette énergie à la baisse.

Si tel est le cas, il serait possible qu’une multitude de micro trous noirs se forment dans la haute atmosphère de la terre du fait des rayons cosmiques qui viendraient percuter certaines particules avec une énergie supérieur à celle que peut atteindre le LHC. Jusqu’ici, les physiciens n’en ont jamais détecté.

En revanche, si ces trous noirs viennent à être créés, ils restent trop petits pour durer et ils s’évaporent aussitôt après avoir été créés, sans même avoir le temps d’avaler de la matière. Pour qu’un trou noir ne s'évapore pas tout de suite après sa création, il doit avoir une masse très importante, chose que nous ne sommes absolument pas capable de faire. Donc pas d’inquiétude à avoir auprès des « scientifiques fous » qui créent des trous noirs, nous sommes très loin de pouvoir en créer un dangereux.

Il est possible de voyager dans le temps et/ou dans l’espace en plongeant dans un trou noir ?[modifier | modifier le wikicode]

Même s’il est possible de « voyager » dans le futur grâce au fait que le temps ralentit à proximité d’un trou noir, c’est tout de même déconseillé car la gravité y est très intense. Votre vaisseau et vous à l’intérieur serez donc allongés comme un spaghetti. De plus, s’il est possible de voyager dans le futur (en attendant simplement à côté d’un trou noir que le futur vienne à nous), il reste impossible de voyager dans le passé et donc de rentrer chez soi. Il est également impossible de voyager dans l’espace en plongeant dans le trou noir, d’une part parce que la gravité va vous réduire en purée avant, mais aussi parce qu'un trou noir ne bouge pas et la matière qu’il avale reste enfermée dans le trou noir pour l’éternité.

La Terre est-elle menacée par un trou noir ?[modifier | modifier le wikicode]

Non, s’il y avait un trou noir dangereux à proximité, nous aurions déjà remarqué sa présence depuis bien longtemps grâce à des perturbations dans les orbites des planètes du système solaire ou encore grâce à la déformation de la lumière qui ferait bouger anormalement certaines étoiles qu’on observe.

Sources, liens externes[modifier | modifier le wikicode]

Il existe plusieurs chaines YouTube, des livres et des documentaires parlant des trous noirs. En voici quelques un(e)s :

Chaînes YouTube :[modifier | modifier le wikicode]

Dimension :[modifier | modifier le wikicode]

Le Sense of Wonder :[modifier | modifier le wikicode]

Science étonnante :[modifier | modifier le wikicode]

Livres[modifier | modifier le wikicode]

  • Dernières nouvelles des trous noirs de Stephen Hawking [1]
  • Les trous noirs de Jean-Pierre Luminet [2]
  • La science des trous noirs de Jean-Pierre Lasota [3]

Documentaires[modifier | modifier le wikicode]

Vous trouverez différents documentaires à propos des trous noirs sur le site les-docus.com


Article mis en lumière la semaine du 14 février 2011.
Portail de la cosmologie — Tous les articles sur les sciences de l'Univers.
Portail de l'astronomie —  Accédez aux articles de Vikidia concernant l'astronomie.