Trou noir
Qu'est-ce qu'un trou noir?
Un trou noir est un phénomène spatial de proportions très élevées (généralement plus grandes que le soleil) et de masse extrêmement compacte. Il en résulte un champ gravitationnel si puissant qu'aucune particule ni aucun rayonnement ne peut en sortir.
Même si la lumière est aspirée, les trous noirs sont invisibles et leur existence n’est démontrée que par les conséquences gravitationnelles observables dans son environnement, en particulier par les changements d’orbite des corps proches des corps célestes, qui sont maintenant attirés par le trou noir.
En théorie, seul un élément se déplaçant à une vitesse supérieure à celle de la lumière serait capable de résister au champ gravitationnel d'un trou noir. Pour cette raison, il n'est pas possible de savoir avec certitude ce qu'il advient de la matière aspirée.
Quelle est la taille d'un trou noir?
Les trous noirs existent en différentes tailles. Les mineurs connus de la science sont appelés trous noirs primordiaux et on pense qu'ils ont la taille d'un atome, mais avec la masse totale d'une montagne.
Les trous noirs moyens (dont la masse est jusqu'à 20 fois supérieure à la masse totale du soleil) sont appelés stellaires . Dans cette catégorie, le plus petit trou noir découvert a 3, 8 fois la masse solaire.
Les plus grands trous noirs répertoriés sont appelés supermassifs, souvent situés au centre des galaxies. Par exemple, au centre de la Voie Lactée se trouve le Sagittaire A, un trou noir d’une masse équivalente à 4 millions de fois la masse du soleil.
Jusqu'à présent, le plus grand trou noir connu s'appelle S50014 + 81, dont la masse est égale à quarante milliards de fois celle du soleil.
Comment se forment les trous noirs?
Les trous noirs sont formés par l’effondrement gravitationnel des corps célestes. Ces phénomènes se produisent lorsque la pression interne d'un corps (généralement des étoiles) est insuffisante pour maintenir sa propre masse. Ainsi, lorsque le noyau de l'étoile s'effondre sous l'effet de la gravité, le corps céleste explose, libérant d'énormes quantités d'énergie dans un événement appelé supernova .
Représentation visuelle d'une supernova.
Pendant la supernova, en une fraction de seconde, toute la masse de l'étoile est comprimée dans son noyau tout en se déplaçant à environ 1/4 de la vitesse de la lumière (y compris, à ce moment précis, les éléments les plus lourds de l'univers sont créés).
Ensuite, l'explosion donnera lieu à une étoile à neutrons ou, si l'étoile est suffisamment grande, il en résultera la formation d'un trou noir, dont la quantité astronomique de masse concentrée crée le champ gravitationnel susmentionné. La vitesse de sortie (vitesse nécessaire à une particule ou à un rayonnement pour résister à l'attraction) doit être au moins supérieure à la vitesse de la lumière.
Types de trous noirs
Le physicien théoricien allemand Albert Einstein a formulé un ensemble d'hypothèses liées à la gravitation qui ont servi de base à l'émergence de la physique moderne. Cet ensemble d'idées s'appelait la théorie de la relativité générale, dans laquelle le scientifique a formulé plusieurs observations novatrices sur les effets gravitationnels des trous noirs.
Pour Einstein, les trous noirs sont des "déformations dans l'espace-temps causées par la quantité massive de matière concentrée". Ses théories promeuvent un progrès rapide de la région et permettent de classer les différents types de trous noirs:
Trou noir de Schwarzschild
Les trous noirs de Schwarzschild sont ceux qui n'ont pas de charge électrique et qui n'ont pas d'impulsion angulaire, c'est-à-dire qui ne tournent pas autour de son axe.
Kerr Black Hole
Les trous noirs de Kerr n'ont pas de charge électrique mais ils tournent autour de leur axe.
Reissner-Nordstrom Black Hole
Les trous noirs de Reissner-Nordstrom ont une charge électrique mais ne tournent pas autour de leur axe.
Kerr-Newman Black Hole
Les trous noirs de Kerr-Newman sont chargés électriquement et tournent autour de leur axe.
En théorie, tous les types de trous noirs deviennent finalement des trous noirs de Schwarzschild (statique et sans charge électrique) lorsqu'ils perdent suffisamment d'énergie et cessent de tourner. Ce phénomène est connu sous le nom de processus de Penrose . Dans ces cas, le seul moyen de différencier un trou noir de Schwarzschild d'un autre consiste à mesurer sa masse.
Structure d'un trou noir
Les trous noirs sont invisibles car leur champ gravitationnel est inévitable, même pour la lumière. Ainsi, un trou noir a l'aspect d'une surface sombre à partir de laquelle rien ne se reflète et il n'y a aucune preuve de ce qu'il advient des éléments qui y sont aspirés. Cependant, à partir de l’observation des effets qu’elles ont sur leur environnement, la science structure les trous noirs dans l’ horizon des événements, la singularité et l’ ergosphère .
Horizon des événements
La limite du champ gravitationnel du trou noir à partir duquel rien n'est observé est appelée l'horizon des événements ou le point de non-retour .
Représentation graphique d'un horizon d'événements, mis à disposition par la NASA, dans laquelle une sphère parfaite est observée à partir de laquelle aucune lumière n'est émise.
Bien que ce ne soient en réalité que des conséquences gravitationnelles, l'horizon des événements est considéré comme faisant partie de la structure d'un trou noir, car il s'agit du début de la zone observable du phénomène.
On sait que sa forme est parfaitement sphérique dans les trous noirs statiques et oblique dans les trous noirs en rotation.
En raison de la dilatation gravitationnelle du temps, l’influence de la masse du trou noir sur l’espace-temps a pour effet que l’horizon des événements, même au-delà de sa portée, a les effets suivants:
- Pour un observateur distant, une horloge proche de l'horizon des événements se déplacerait plus lentement qu'une autre, plus éloignée. Ainsi, tout objet aspiré dans le trou noir semblerait ralentir jusqu'à ce qu'il paraisse paralysé dans le temps.
- Pour un observateur distant, l'objet approchant de l'horizon des événements prendrait une teinte rougeâtre, conséquence du phénomène physique connu sous le nom de décalage vers le rouge, la fréquence de la lumière étant réduite par le champ gravitationnel du trou noir.
- Du point de vue de l'objet, le temps passerait à une vitesse accélérée pour tout l'univers, tandis que pour lui-même, le temps passerait normalement.
Singularité
Le point central d'un trou noir, où la masse de l'étoile est devenue infiniment concentrée, s'appelle la singularité, dont on sait peu de choses. En théorie, la singularité contient la masse totale de l'étoile qui s'est effondrée, ajoutée à la masse de tous les corps aspirés par le champ gravitationnel, mais n'a ni volume ni surface.
Ergosphère
L'ergosphère est une zone qui contourne l'horizon des événements dans les trous noirs en rotation, dans laquelle il est impossible pour un corps céleste de rester immobile.
Pourtant, selon la relativité d'Einstein, tout objet en rotation a tendance à traîner l'espace-temps près de lui. Dans un trou noir en rotation, cet effet est si puissant qu'il serait nécessaire qu'un corps céleste se déplace dans la direction opposée à une vitesse supérieure à celle de la lumière pour rester immobile.
Il est important de ne pas confondre les effets de l'ergosphère avec ceux de l'horizon des événements. L'ergosphère n'attire pas d'objets avec le champ gravitationnel. Ainsi, tout ce qui entre en contact avec lui ne sera déplacé que dans l'espace-temps et ne sera attiré que s'il croise l'horizon des événements.
Stephen Hawking Théories sur les trous noirs
Stephen Hawking fut l'un des physiciens et cosmologistes les plus influents des XXe et XXIe siècles, notamment en corrigeant plusieurs des théorèmes proposés par Einstein qui contribuaient à la théorie selon laquelle l'univers avait débuté de manière singulière, renforçant encore la théorie dite de Big Bang .
Hawking croyait également que les trous noirs ne sont pas complètement noirs, mais émettent de petites quantités de rayonnement thermique. Cet effet était connu en physique sous le nom de rayonnement de Hawking . Cette théorie prédit que les trous noirs perdraient de la masse avec le rayonnement libéré et, selon un processus extrêmement lent, diminueraient jusqu'à disparaître.
