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Trou noir

« Trou noir » expliqué aux enfants par Vikidia, l’encyclopédie junior
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Animation montrant comment un trou noir perturbe la lumière autour de lui. Il s'agit là d'une représentation artistique et non d'images réelles.
Les trous noirs sont des objets de l’espace (aussi appelés “astres”) 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 font l’objet de nombreux sujets de recherche.

Note: La majorité des sujets d’astrophysique comme celui-ci sont souvent accompagnés de notions peu évidentes pour un public de 8 à 13 ans. Ainsi, nous allons volontairement commettre des fautes de vulgarisation pour rendre la lecture plus accessible. Par exemple: au lieu de parler d’un objet massif, nous parlerons d’un objet lourd, et donc de son poids.

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

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

D’après la théorie de la gravitation, plus un objet est lourd et plus il attire les autres objets proches vers lui. Dans la vie de tous les jours, les objets ne sont pas assez lourds pour sentir cette gravitation (on ne verra pas une bille posée à côté d’une bouteille d’eau se faire attirer par la bouteille). Mais, quand on parle de très gros objets comme la terre, le poids devient assez important pour que la gravité deviennent très importante. Du coup, chaque objet est attiré vers la terre, ce qui explique que lorsque vous lancez un objet, il retombe au sol. C’est aussi cette même gravité qui fait que la terre tourne autour du soleil ou que la Lune tourne autour de la Terre. Sinon, la Lune comme la Terre partiraient toute seule, loin dans l’espace.

Structure d'un trou noir.png
Cette gravité à tout de même un point faible. Plus la distance est grande entre deux objets, moins ils vont s’attirer entre eux. Du coup 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 vitesse à laquelle on lance la pomme. Mais si on la lance avec une vitesse assez grande, on se rend compte qu'il est possible que la pomme ne retombe jamais (elle part alors dans l'espace). C’est cette vitesse aussi que doivent atteindre les fusées pour échapper à l’attraction terrestre et ainsi aller dans l’espace et elle est appelée "vitesse de libération". Or, plus l’objet est lourd et les distance sont courtes entre les deux objets, plus la vitesse de libération est grande. Ce qui définit un trou noir, c’est quand cette objet à une vitesse de libération plus grande que la vitesse de la lumière. La lumière ne peut donc jamais s'échapper de la gravité d’un trou noir, ce qui est aussi le cas pour tout objet. Ce dernier devrait atteindre une vitesse de libération supérieure à la vitesse de la lumière, ce qui est impossible. Rien pourrait donc s’en échapper.

Histoire[modifier | modifier le wikicode]

Le trou noir présumé Cygnus X-1 observé en 2002 dans les rayons X par le satellite européen Integral. Cygnus X-1 semble très isolé sur cette image car les étoiles proches sont toutes normales et n’émettent pas dans ce domaine de longueur d’onde. Cygnus X-1 n’est pas un corps isolé mais fait partie d’un système double avec une supergéante bleue appelée HDE 226868. C’est le gaz arraché de cette supergéante qui émet des rayons X en allant se perdre dans le trou noir. Crédit : ESA/JEM-X/ECF Source: www.astronomes.com

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 !), il partagea l'idée qu'un objet très lourd puisse avoir une vitesse de libération (vitesse pour s'échapper de la gravité de l'objet) qui pouvait être supérieur à celle de la lumière. Il montra ainsi que si on prenait une planète comme la Terre mais 250 millions (250 000 000) de fois plus grande et plus lourde, la gravité pouvait empêcher tout rayon lumineux de s'en échapper. Sa théorie ne fut pas bien reçue car les astronomes doutaient fortement qu'un objet comme cela puisse exister.

L’idée a commencée à interpeller la communauté scientifique, après que Karl Schwarzschild et Robert Oppenheimer proposèrent chacun, respectivement en 1915 et 1935, une interprétation des résultats de l’équation de la relativité générale qui avait été proposée par Albert Einstein. Il faut attendre 1968, pour que le physicien américain John Wheeler nomme cet objet sous l’appellation « trou noir ». Auparavant, ces objets n’étaient pas connus et n’étaient qu’une idée des mathématiciens et physiciens qu’ils appelaient “collapse gravitationnel”. Le premier trou noir fut détecté en 1971 dans la constellation du Cygne.

En 1974, B.Balick et R.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 a été émise difficilement à cause de sa faible activité, dit aussi « au repos », car il aspire actuellement très peu de matière pourtant abondante dans son environnement proche.

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

La méthode de détection des trou noir varient selon leur type et leur caractéristiques. La méthode la plus direct consiste à regarder le spectre des rayons X (lumière invisible que les étoiles normales ne produisent pas) pour y observer la matière qui tourne autour et s’échauffe à de très grandes températures.

Pour les trou noirs n’ayant pas de disque d’accrétion (sorte de disque formé par la matière très chaude qui tourne autour du trou noir), vu qu’on ne peut pas les observer directement, on utilise d’autres techniques. En étudiant l’influence qu’à un trou noir sur son environnement proche par exemple. En général, un trou noir est entouré de matières stellaires comme des étoiles, de gaz sous forme de nuages. Si une étoile est à proximité, elle va décrire un mouvement de rotation sous l’influence de la gravité du trou noir. Elle sera trop loin pour que sa matière soit engloutit, 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 elle semble anormalement grande au vue de différentes observations on peut supposer la présence d’un trou noir entre la galaxie et nous. Ce dernier déforme l’apparence de la galaxie en « aspirant » une partie de la lumière émise par cette dernière.

Il est également possible de savoir combien pèse le trou noir avec cette méthode !

Observation de l’environnement proche du trou noir supermassif Sagittarius A* présent au centre de notre galaxie.

Il est également possible de détecter des trou noir grâce aux derniers instruments d’observation par onde gravitationnelles (légères déformations de l’espace). Ces ondes gravitationnelles sont créées lorsque deux trou noirs entrent en collision. Il est alors possible de déterminer leur position et leur masse.

Enfin, d'après les dernières études, les trous noirs pourraient aussi émettre un rayonnement, appelé rayonnement de Hawking. Malheureusement, ce rayonnement est tellement faible que 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.

1. Stellaires[modifier | modifier le wikicode]

Ce sont les trous noirs “classiques”. Ils sont formés après qu’une étoile très massive (jusqu’à 100 fois la masse de notre Soleil) se soit éteinte. A cause de la gravité, toute la matière de l’étoile se comprime au centre de l’étoile, jusqu'à atteindre une taille tellement petite 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 en avoir, dans notre galaxie, jusqu'à 100 millions de trou noirs stellaires (soit 1 trou noir pour 3 000 étoiles).

Les deux populations de trous noirs confirmées par l’observation : à gauche, les trous noirs détectés dans les rayons X, comme Cygnus X-1, à droite, les trous noirs plus massifs détectés par les ondes gravitationnelles (représentés avant et après leur fusion). Crédit : LIGO/Virgo/Caltech/MIT Source: www.astronomes.com

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 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 (un poids 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 déduite par hypothèse. Les trous noir primordiaux sont des trous de petites tailles, formé pendant les premières secondes de l’Univers. Ils sont très petits et très légers et ont sans doute subit une évaporation pour ensuite disparaître en explosant.

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 la forte gravité du trou noir. 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. A 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 du poids du trou noir. Son poids a donc différentes conséquences sur l’objet qui s’en serait trop approché.

  • Elle peut déformer les objets qui s'en approchent : sur terre, du fait que la gravité diminue avec le distance, ça crée une force de gravité différente être 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 très violemment en bas ce qui va l'étirer comme un spaghetti. On appelle donc ce phénomène "la spaghettification". 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 marée de l'eau sur Terre). Plus le trou noir est massif, plus l’horizon est grand et moins cet effet de marée sera puissant.
S'approcher d'un trou noir.png
  • Elle peut aussi permettre au tour noir d'émettre des particules. Pour cela il faut qu’un couple de particules-antiparticules se forment 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, son poids 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.

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 !

Image décrivant le rayonnement de Hawking,  extraite du site: http://lirelactu.fr/source/sciences-et-avenir/b7aef2cb-9f75-4a2d-a33a-877eaa748c16

Idées reçues[modifier | modifier le wikicode]

Les trous noirs sont des objets assez mystérieux du au fait qu’ils soient très compliqués à observer et qu’ils semblent défier les lois de la physique dont 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 des 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 très loin de la vérité. 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 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 risques.

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 compressé dans un espace minuscule (plus petit qu’une tête d’épingle). Il faut plutôt les considérer comme un puit sans fin.

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

On en est pas sur ... 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 puisse exister, semblable aux trou noirs primordiaux) en faisant entrer 2 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 trou noirs se forment dans la haute atmosphère de la terre dû aux rayons cosmiques qui viennent 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 petit pour durer et ils s’évaporent aussitôt après avoir été créé, sans même avoir le temps d’engloutir 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 seraient donc allonger 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 soit. Il est également impossible de voyager dans l’espace en plongeant dans le trou noir, d’une part parce que la gravité 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.

En savoir plus[modifier | modifier le wikicode]

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

Chaînes YouTube :[modifier | modifier le wikicode]

Dimension :[modifier | modifier le wikicode]

Que se passe t-il si on tombe dans un trou noir ?

https://www.youtube.com/watch?v=IAtObnbdLoY

Sens of Wonder :[modifier | modifier le wikicode]

Histoire et observations des trous noirs :

https://www.youtube.com/watch?v=fpnuXzf9s04

Science étonnante :[modifier | modifier le wikicode]

Explications précises du fonctionnement d’un trou noir : https://www.youtube.com/watch?v=TdnER8AeIdw

Livres :[modifier | modifier le wikicode]

“Dernières nouvelles des trous noirs” de Stephen Hawking[modifier | modifier le wikicode]

https://livre.fnac.com/a9883571/Stephen-Hawking-Dernieres-nouvelles-des-trous-noirs

“Les trous noirs” de Jean-Pierre Luminet[modifier | modifier le wikicode]

https://books.google.fr/books/about/Les_trous_noirs.html?id=SHqkGwAACAAJ&source=kp_book_description&redir_esc=y

“La science des trous noirs” de Jean-Pierre Lasota

https://www.amazon.fr/science-trous-noirs-Jean-Pierre-Lasota/dp/2738120083

Documentaires :[modifier | modifier le wikicode]

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

http://www.les-docus.com/tag/trous-noirs/

Article mis en lumière la semaine du 14 février 2011.
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