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Trou noir

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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.)
Disque de matière (d'accrétion) autour d'un trou noir d'une taille quelconque

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 dont la vitesse de libération dépasse celle de la lumière, les rendant capables de l'attirer en déformant l'espace autour d'eux, et éventuellement de l'absorber. Les trous noirs qui se forment actuellement dans notre Univers font au minimum trois fois la masse du Soleil, et certains trous noirs géants plusieurs millions ou milliards de fois. La taille d'un trou noir est directement proportionnelle à sa masse, et toujours la même pour un trou noir d'une masse donnée : par exemple, un trou noir de 3 masses solaires a un diamètre de 18 km, un trou noir dix fois plus massif (donc 30 masses solaires) sera aussi dix fois plus grand, 180 km. Un trou noir n'est donc pas forcément petit : ainsi, un trou noir d'un milliard de masses solaires aura un diamètre de 6 milliards de km ! C'est à-peu-près le diamètre de l’orbite d’Uranus.

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.

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 (on n'imaginait pas non plus à l'époque qu'il puisse exister des objets beaucoup plus denses que n'importe quel matériau qu'on trouve sur Terre).

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.

En 1974, Hawking a avancé une théorie révolutionnaire sur les trous noirs. Selon lui, les trous noirs ne sont pas totalement "pièges" sans possibilité de fuite. Au lieu de ça, il a proposé que des petites particules se forment près du bord d'un trou noir. L'une de ces particules est absorbée par le trou noir, tandis que l'autre s'échappe dans l'espace. Ce phénomène est dû à des règles de la physique très spéciales, et cela remet en question l'idée qu'absolument rien ne peut sortir d'un trou noir.

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]

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]

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.

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), qui laisse un résidu d'au moins 3 masses solaires. Ce sont des objets très petits, quelques dizaines à quelques centaines de km de diamètre. Le trou noir du système Cygnus X-1, le tout premier trou noir détecté, est un trou noir stellaire d'une vingtaine de masses solaires.

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 s'ils n’interagissent pas avec de la matière suffisamment proche, 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).

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 (des éléments lourds (c'est-à-dire des atomes plus gros que l'hélium) 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.

Supermassifs ou galactiques[modifier | modifier le wikicode]

Les trous noirs supermassifs sont des trous noirs plusieurs millions à plusieurs milliards de fois plus massifs que notre Soleil (le plus gros jamais observé est 21 milliards de fois plus lourd que le Soleil), pour un diamètre de plusieurs millions à plusieurs milliards de km. Leur densité est beaucoup plus faible que celle des trous noirs stellaires, parfois même largement inférieure à celle de l'eau. Les forces de marées (c'est-à-dire la différence de gravitation entre un point A plus loin du trou noir et un point B plus près du trou noir) qui s'exercent à leur proximité sont également beaucoup plus faibles et permettrait à un astronaute humain d'atteindre sans problème leur horizon des événements sans subir de « spaghettification » significative.

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 (pour un corps céleste) : les plus petits d'entre eux (ceux qui ne se sont pas encore « évaporés » en 15 milliards d'années) ont une masse d'environ 1 milliard de tonnes pour la taille d'un proton, un millionième de milliardième (10 puissance -15) de mètre !

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

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. Il y a toutefois autre chose à prendre en considération : les forces de marée. Les forces de marées proviennent de la différence de gravitation entre un point et un autre, puisque la gravité diminue avec la distance. Sur Terre, les forces de marées sont trop faibles pour affecter un objet de la taille d'un humain ou même d'une station spatiale (elle peuvent en revanche briser des objets beaucoup plus gros s'ils s'approchent trop). En ce qui concerne un trou noir, cela dépend de sa masse.

  • Pour un trou noir stellaire (mettons 10 masses solaires pour 60 km de diamètre), les forces de marées sont déjà sensibles pour un humain à 15 000 km, et son corps serait réduit en charpie à quelques centaines de km du centre du trou noir, bien avant l'horizon des événements qui fait 30 km de rayon. Un être humain ne peut même pas arriver vivant dans un trou noir stellaire.
  • Ce n'est pas le cas pour les trous noirs beaucoup plus massifs car l'horizon des événements est beaucoup plus grand : ainsi l'endroit où les forces de marée détruiraient un corps humain se situe à l'intérieur même du trou noir, à l'intérieur de l'horizon des événements. Pour les trous noirs supermassifs (1 million de fois la masse du soleil ou plus), un astronaute pourrait donc franchir l'horizon des événements sans rien ressentir de particulier (il n'y aucune frontière matérielle entre l'intérieur et l'extérieur du trou noir).

Il ne faut cependant pas oublier qu'une fois qu'on a franchi l'horizon des événements, il n'y a aucun retour possible. On est condamné à continuer vers le centre du trou noir pour y être finalement détruit, et ce peu importe la masse du trou noir ou ses forces de marées.


Elle peut aussi permettre au trou 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]

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, mais ils disparaissent quasi instantanément eux aussi.

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]

Littéralement, ce n'est pas faux, puisque les trous attirent à eux la matière suffisamment proche, et elle finit effectivement par tomber dedans si elle franchit l’horizon des événements, augmentant ainsi la masse du trou noir.

Cependant, les trous noirs ne sont pas des « aspirateurs ». En fait, la gravité d'un trou noir n'est pas d’une nature différente de celle n'importe autre corps céleste, et son intensité se calcule exactement de la même manière. Si on remplaçait notre Soleil par un trou noir de même masse, exactement au même endroit, l'orbite des planètes ne serait en rien modifiée et elles ne seraient donc pas plus attirées par le trou noir qu'elles ne le sont par le Soleil. Par contre, il est tout à fait normal que des trous noirs très massifs (plusieurs millions à plusieurs milliards de masses solaires) exercent une influence gravitationnelle plus importante que des corps célestes beaucoup moins massifs (les étoiles par exemple, qui ne dépassent pas 100-200 masses solaires, et la grosse majorité nettement moins que ça).

De plus, même si elle est « aspirée », la matière ne tombe pas directement dans le trou noir.

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

Les trous noirs, en dépit de leur nom, ne sont pas des trous. D'une part, ce sont en fait des sphères noires, dont la limite est l'horizon des événements, franchissable dans un sens mais pas dans l'autre. D'autre part, les trous noirs ont une masse, masse qui augmente quand de la matière est absorbée, ce qui signifie qu'elle ne disparaît pas purement et simplement.

D’une part, ils ne sont théoriquement pas totalement « noirs », dans le sens où ils émettent du rayonnement (appelé « rayonnement de Hawking »). Cela dit, le rayonnement de Hawking est extrêmement faible pour les trous noirs de masse stellaire (et encore plus pour les supermassifs), et n'a jamais été détecté. C'est la matière attirée par le trou noir qui émet de forts rayonnements, beaucoup plus que le trou noir lui-même.

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 en plongeant dans un trou noir ?[modifier | modifier le wikicode]

Autant le dire tout de suite, les trous noirs ne sont pas vraiment des machines à voyager dans le temps. Il est possible, en s'approchant suffisamment du trou noir (sans pour autant entrer dedans) et en repartant après, de « voyager » dans le futur car moins de temps s'écoule au voisinage du trou noir par rapport à ce qui se passe plus loin du trou noir. Cependant, on ne peut pas contrôler la vitesse de l'écoulement du temps, et encore moins voyager dans le passé. De plus, cela ne serait envisageable qu'aux abords d'un trou noir suffisamment massif pour que les forces de marées ne détruisent pas le vaisseau et ses occupants.

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.

Peut-on accélérer le temps grâce à un trou noir ?[modifier | modifier le wikicode]

Selon notre compréhension actuelle de la physique, il n'est pas possible d'accélérer le temps grâce à un trou noir. Les trous noirs sont des objets extrêmement massifs qui déforment l'espace-temps autour d'eux. Leur gravité est si intense que rien, pas même la lumière, ne peut s'en échapper s'il passe l'horizon des événements.

La relativité générale d'Albert Einstein prédit que le temps se dilate près des objets massifs. Cela signifie que le temps s'écoule plus lentement à proximité d'un trou noir que dans des régions éloignées où la gravité est plus faible. Cependant, cela ne signifie pas que le temps peut être accéléré en s'approchant d'un trou noir. Au contraire, l'effet de la gravité intense d'un trou noir ralentit le temps pour un observateur externe.

Il est important de noter que notre compréhension des trous noirs et de leur interaction avec le temps est basée sur la théorie de la relativité générale et les connaissances actuelles en physique. Cependant, la compréhension complète de la gravité quantique et de la physique à l'intérieur des trous noirs reste un domaine de recherche actif et complexe.

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 :

Vidéos de 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

Source cinématographique[modifier | modifier le wikicode]

-"Interstellar" (2014) : Réalisé par Christopher Nolan

- "Gravity" (2013), réalisé par Alfonso Cuarón.

- "Sunshine" (2007), réalisé par Danny Boyle

Article mis en lumière la semaine du 14 février 2011.
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