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Question : Qu’est-ce qu’un trou noir ?
Qu’est-ce qu’un trou noir ? Quand les trous noirs se forment-ils ? Les scientifiques peuvent-ils voir un trou noir ? Quel est l' »horizon des événements » d’un trou noir ?
Répondez : Un trou noir est une entité théorique prédite par les équations de la relativité générale. Un trou noir est formé lorsqu’une étoile de masse suffisante subit un effondrement gravitationnel, la majeure partie ou la totalité de sa masse étant comprimée dans une zone suffisamment petite de l’espace, ce qui provoque une courbure infinie de l’espace-temps en ce point (une « singularité »). Une telle courbure massive de l’espace-temps ne permet à rien, pas même à la lumière, de s’échapper de l' »horizon des événements », ou frontière.
Les trous noirs n’ont jamais été observés directement, bien que les prédictions de leurs effets aient correspondu aux observations. Il existe une poignée de théories alternatives, comme celle des objets magnétosphériques en effondrement éternel (MECO), pour expliquer ces observations, la plupart évitant la singularité spatio-temporelle au centre du trou noir, mais la grande majorité des physiciens pensent que l’explication du trou noir est la représentation physique la plus probable de ce qui se passe.
Les trous noirs avant la relativité
Dans les années 1700, certains ont proposé qu’un objet supermassif puisse y attirer la lumière. L’optique newtonienne était une théorie corpusculaire de la lumière, traitant la lumière comme des particules.
John Michell a publié un article en 1784 prédisant qu’un objet d’un rayon 500 fois supérieur à celui du soleil (mais de même densité) aurait une vitesse de fuite de la vitesse de la lumière à sa surface, et serait donc invisible. L’intérêt pour cette théorie s’est toutefois éteint dans les années 1900, lorsque la théorie des ondes de la lumière a pris de l’importance.
Rarement référencées dans la physique moderne, ces entités théoriques sont appelées « étoiles noires » pour les distinguer des véritables trous noirs.
Les trous noirs de la relativité
Quelques mois après la publication de la relativité générale par Einstein en 1916, le physicien Karl Schwartzchild a trouvé une solution à l’équation d’Einstein pour une masse sphérique (appelée métrique de Schwartzchild)… avec des résultats inattendus.
Le terme exprimant le rayon avait une caractéristique inquiétante. Il semblait que pour un certain rayon, le dénominateur du terme deviendrait zéro, ce qui ferait « exploser » le terme mathématiquement. Ce rayon, connu sous le nom de rayon Schwartzchild, rs, est défini comme :
rs = 2 GM/ c 2
G est la constante gravitationnelle, M est la masse et c est la vitesse de la lumière.
Comme les travaux de Schwartzchild se sont révélés essentiels pour comprendre les trous noirs, c’est une étrange coïncidence que le nom de Schwartzchild se traduise par « bouclier noir ».
Propriétés des trous noirs
Un objet dont toute la masse M se trouve dans r est considéré comme un trou noir. L’horizon des événements est le nom donné à rs, car à partir de ce rayon, la vitesse d’échappement de la gravité du trou noir est la vitesse de la lumière. Les trous noirs attirent la masse par les forces gravitationnelles, mais aucune de cette masse ne peut jamais s’échapper.
Un trou noir est souvent expliqué en termes d’objet ou de masse « tombant dedans ».
Y regarde X tomber dans un trou noir
- Y observe le ralentissement des horloges idéalisées sur X, se figeant dans le temps lorsque X frappe rs
- Y observe la lumière du redshift X, qui atteint l’infini à rs (X devient donc invisible – mais on peut quand même voir leurs horloges. La physique théorique n’est-elle pas grandiose) ?
- X perçoit un changement notable, en théorie, bien qu’une fois qu’il a franchi le rs, il lui est impossible d’échapper à la gravité du trou noir. (Même la lumière ne peut pas échapper à l’horizon des événements).
Développement de la théorie des trous noirs
Dans les années 1920, le physicien Subrahmanyan Chandrasekhar a déduit que toute étoile plus massive que 1,44 masse solaire (la limite de Chadrasekhar) doit s’effondrer sous la relativité générale. Le physicien Arthur Eddington pensait que certaines propriétés empêcheraient l’effondrement. Tous deux avaient raison, à leur manière.
Robert Oppenheimer a prédit en 1939 qu’une étoile supermassive pourrait s’effondrer, formant ainsi une « étoile gelée » dans la nature, et pas seulement en mathématiques. L’effondrement semblerait ralentir, se figeant en fait dans le temps au point de passage de rs. La lumière de l’étoile subirait un fort décalage vers le rouge au point rs.
Malheureusement, de nombreux physiciens ont considéré que cela n’était qu’une caractéristique de la nature hautement symétrique de la métrique de Schwartzchild, estimant que dans la nature, un tel effondrement ne se produirait pas réellement en raison des asymétries.
Ce n’est qu’en 1967 – près de 50 ans après la découverte de la rs – que les physiciens Stephen Hawking et Roger Penrose ont montré que non seulement les trous noirs étaient le résultat direct de la relativité générale, mais aussi qu’il n’y avait aucun moyen d’arrêter un tel effondrement. La découverte des pulsars a étayé cette théorie et, peu après, le physicien John Wheeler a inventé le terme « trou noir » pour ce phénomène lors d’une conférence donnée le 29 décembre 1967.
Les travaux ultérieurs ont notamment permis de découvrir le rayonnement Hawking, dans lequel les trous noirs peuvent émettre des radiations.
Spéculation sur les trous noirs
Les trous noirs sont un domaine qui attire les théoriciens et les expérimentateurs qui veulent relever un défi. Aujourd’hui, l’existence des trous noirs est presque universellement reconnue, même si leur nature exacte est toujours remise en question. Certains pensent que la matière qui tombe dans les trous noirs peut réapparaître ailleurs dans l’univers, comme dans le cas d’un trou de ver.
Un ajout important à la théorie des trous noirs est celui du rayonnement Hawking, développé par le physicien britannique Stephen Hawking en 1974.
