Trou noir Article, Signification, Explication

Un trou noir est un objet astronomique/une région (de l'espace-temps) où la gravitation est tellement intense que rien ne peut en échapper, même pas la lumière car la vitesse de libération y est plus élevée que la vitesse de la lumière, d'où le nom trou noir. Il est à noter qu'il ne s'agit pas d'un trou au sens propre mais seulement une région de l'espace où rien ne peut en ressortir.

Les trou noirs les plus étudiés, les trous noirs stellaires, résultent de l'effondrement gravitationnel du cœur d'une étoile massive en un état irréversible de compression sur elle-même. Une étoile est assujettie à deux dynamiques inverses, longtemps en équilibre : elle se comprime sous l'effet de sa propre masse, et elle explose sous l'effet des réactions nucléaires. Quand la seconde énergie vient à manquer, une pression d'origine quantique, la pression de dégénérescence, vient jouer le même rôle de contre-poids face à la force gravitationnelle. Dans une étoile s'effondrant en trou noir, cette pression devient insuffisante pour s'opposer à l'effet de sa propre masse, la gravitation prend le dessus et ....

Par comparaison, le Soleil déforme lui aussi l'espace-temps, suffisament pour simplement dévier les rayons lumineux passant près de lui.

Les trous noirs, de densité théorique infinie, sont la résultante d'un paradoxe intrinsèque à la physique quantique car ils sont définis par une singularité. Cela les place hors de la mesure, hors de la théorie physique même. Ce problème tout à la fois théorique et expérimental est à l'origine du débat scientifique majeur sur l'existence des trous noirs. Les observations indirectes ne permettant pas encore de trancher de façon certaine entre trous noirs et étoiles à neutron, la théorie mathématique étant poussée à la contradiction si on tente de lui faire correspondre une réalité, on peut toutefois s'intéresser aux questionnements qui en découle. Envisager l'existence des trous noirs, c'est se poser - entre autre - la même question introduite par l'étude du Big-Bang : l'espace et le temps sont-ils des concepts intellectuels viables ? L'univers est-il fini ou infini ?

L'expression consacrée pour désigner les trous noirs en général est collapsar (pour « collapsed star » : étoile contractée). Cependant, l'expression trou noir est employée par analogie à l'image du « disque obscur ».

Génèse du concept

Le concept d'un corps tellement massif que même la lumière ne pourrait s'en échapper fut exposé par le géologue John Michell dans un article de 1783 qui fut envoyé à la Royal Society. À cette époque, la théorie newtonienne de la gravité et le concept de vitesse de libération étaient bien connus. Michell calcula qu'un corps ayant un rayon 500 fois celui du Soleil et ayant la même densité aurait, à sa surface, une vitesse de libération égale à celle de la lumière et serait donc invisible si la lumière serait attiré par la même force que les autres corps (selon sa masse!). Bien que pensant cela comme étant improbable, Michell considéra la possibilité que de nombreux tels objets étaient présents dans le cosmos.

En 1796, le mathématicien français Pierre-Simon Laplace exposa la même idée dans la première et seconde édition de son livre Exposition du système du Monde mais il la retira des éditions ultérieures. Cette idée reçu peu d'attention durant le XIXe siècle car la lumière était considérée comme étant sans masse et donc ne pouvant pas être influencée par la gravitation.

En 1915, Albert Einstein développa une nouvelle théorie de la gravitation, la relativité générale, dans laquelle il prédisait que la gravitation pouvait courber les rayons lumineux. Quelques mois après, Karl Schwarzschild trouva une solution de l'équation d'Einstein pour le champ gravitationnel d'une masse ponctuelle (c'est-à-dire, réduite à un point) . Loin du centre, cette solution était compatible avec la gravitation newtonienne et a une distance plus proche, elle reflétait l'effet de la courbure de l'espace-temps par la gravitation. Mais cette solution présentait deux particularités. Premièrement la densité au centre devait y être infinie et a une certaine distance du centre, distance appelée actuellement rayon de Schwarzschild, il y avait une autre singularité. Actuellement, on sait que ce rayon correspond au rayon d'un trou noir qui n'est pas en rotation, mais cela n'était pas très bien compris à cette époque. Schwarzschild lui même considérait ces singularité ne correspondaient pas à des solutions réelles. Cette solution montrait aussi que ce que l'on nomme actuellement trou noir pouvait théoriquement exister.

Pendant les années 1920, Subrahmanyan Chandrasekhar montraa que selon la relativité spéciale, un corps non-radiatif, au-delà d'une certaine masse connue actuellement sous le nom de limite de Chandrasekhar, s'éfondrerait sur lui-même car rien ne pourrait arrêter cet effondrement. Arthur Eddington, convaincu que quelque chose arrêterait inévitablement cet effondrement, s'opposa vivement aux arguments de Chandrasekhar.

En 1939, Robert Oppenheimer et Hartland Snyder prédirent que les étoiles massives pouvaient efectivement subir un tel effondrement gravitationnel. Néanmoins, ces objets hypothétiques ne furent pas d'un grand intérêt théorique avant la fin des années 1960.

L'intérêt pour ces objets effondrés se raviva en 1967 avec la découverte des pulsars. Peu de temps après, le terme trou noir fut inventé par le physicien (théorique) John Wheeler (http://www.truephysics.com/timeline/timeline1961_1980.html). Auparavant, le terme étoile noire était parfois utilisé; ce terme était apparut dans un des premiers épisodes de Star Trek et fut encore utilisé occasionnellement après 1967 car certaines personnes trouvaient vulgaire le terme trou noir lorsqu'il était traduit depuis l'anglais vers, par exemple, le français ou le russe.

Formation d'un trou noir

Le trou noir est une des possibilités envisagées à la suite de l'effondrement d'une étoile sur elle-même. Triviallement, un trou noir est un corps qui ne fait que s'effondrer sur lui-même et attire vers lui de la matière, qui éventuellement disparaît en son sein. Le développement mathématique du cycle de vie des étoiles au cours du XXe siècle explicite sous quelles conditions une étoile deviendra un trou noir. La condition principale étant liée à la densité de l'étoile, d'autres processus de formation que l'effondrement gravitationnel sont envisagés, par exemple par accrétion de matière.

Les trous noirs et l'espace-temps

Dans la Relativité générale, la gravité n'est pas une force. L'espace-temps constitue une trame dont les déformations sont responsables des forces gravitationnelles. Un trou noir, de part sa densité, vient trouer l'espace-temps en un point, en créant une dépression infinie. Les interactions gravitationnelles entre trous noirs et environnement stellaire proche (aux échelles astronomiques) sont le seul moyen d'étudier ces premiers.

Observation et détection des trous noirs

Inobservables de façon immédiate, les trous noirs doivent donc faire la preuve de leur existence de façon indirecte. Suivant l'idée selon laquelle il n'est pas irrationnel de croire à l'existence rationnellement prouvée de ces corps célestes, de très nombreux astro-physiciens tentent depuis plusieurs années de détecter des trous noirs, à travers l'observation de leur environnement galactique proche. L'étude des interactions gravitationnelles n'est pas la seule piste suivie, puisqu'on s'intéresse aujourd'hui aussi à la spectrologie ou aux ondes gravitationnelles. De façon générale, ce sont des systèmes entiers où l'on soupçonne la présence d'un trou noir qui sont étudiés. À ce jour, aucune observation n'a convaincu l'ensemble de la communauté scientifique, mais le cumul des données n'est pas venu infirmer l'hypothèse du trou noir, bien au contraire.

Les trous noirs acoustiques

Les trous noirs supermassifs

Évaporation des trous noirs

L'évaporation, mathématiquement définie par Stephen Hawking, est l'idée simple selon laquelle un trou noir ne peut que se dilater, c'est-à-dire augmenter de taille (principe proche de l'entropie). En faisant cela, il en vient à émettre des particules, ce qui s'explique par l'étude du vide quantique et des couples particules/anti-particules. Cette idée est une petite révolution dans la « révolution » des trous noirs, car elle permet en théorie de disposer d'informations sur les trous noirs a posteriori.

Un cas particulier : Cygnus X-1

Cygnus X-1 est un système binaire vraissemblablement constitué d'un trou noir en rotation sur lui-même, et d'une étoile en orbite autour de ce trou noir. Son étude a débuté en 1965, ce qui en fait un cas de référence.

Mythes et contre-vérités sur les trous noirs

Objets célestes fascinants, mystérieux et controversés, les trous noirs s'entourent depuis leur découverte théorique d'un voile d'idées reçues et de mythes, qui parfois entravent même les débats scientifiques.

Q: Les trous noirs, ça n'existe pas !

R: Tout dépend du sens donné au verbe exister ! Mathématiquement parlant, un trou noir est parfaitement défini par les équations relativistes, et c'est même pour cela que les premières observations ont été mises en place. Dans la pratique, les indices de l'existence avérée de trous noirs s'accumulent, à un rythme lent mais régulier, grâce aux progrès techniques. Évidemment, tous les scientifiques ne sont pas d'accords sur l'existence de tels ou tels trous noirs, mais un concensus commence sérieusement à s'établir quant à la véracité expérimentale de ces corps cosmologiques étranges.

R: Le voyage dans le temps est une séduisante chimère de science-fiction, mais une chimère avant tout ! En tout cas pour le moment. Ce qui est vrai, c'est qu'un trou noir déforme l'espace-temps au point d'y créer une courbure infinie, mais la théorie s'arrête-là - la suite étant du ressort de la spéculation. La matière engloutit ressort t-elle dans un ailleurs, ou bien disparaît t-elle à jamais ? Comment interpréter l'idée que le temps s'allonge à l'infini et qu'il n'y a plus de succession temporelle ? Les réponses ne sont pas connues, des théories unificatrices sont envisagées, comme la théorie des cordes.

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