Trou noir


Un trou noir est une région de l'espace si compacte et d'une masse tellement élevée qu'elle retient jusqu'à la lumère.

Continuité : Hors continuité


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  Un trou noir est une région de l'espace si compacte et d'une masse tellement élevée que l'intensité de son champ gravitationnel empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s'en échapper. En d'autres termes, la vitesse de libération d'un trou noir est supérieure à celle de la lumière.

  L'espace-temps y est tellement déformé qu'il se comporte comme un gouffre pour tout ce qui s'en approche de trop près, et comme la lumière ne peut s'échapper de la zone, elle apparaît noire : d'où le terme de trou noir.

Trou noir

Ceci est une représentation classique d'un trou noir. Elle est tout à fait correcte, à condition de rappeler qu'elle ne montre que deux dimensions spatiales déformées. Un vrai trou noir déforme non seulement les trois dimensions spatiales, mais aussi le temps.


I - Caractéristiques et types théoriques de trous noirs



  Un trou noir peut se définir par trois caractéristiques : sa masse, sa charge électrique et son moment cinétique (le fait qu'il soit en rotation ou non). N'importe quelle autre information sur un trou noir peut être déduite à partir de ces trois données. Le physicien John Wheeler résuma cela en disant cet aphorisme resté célèbre (dans le monde scientifique) : "Black holes have no hair" (en français "Les trous noirs n'ont pas de cheveux"). Et par conséquent, la démonstration mathématique du fait qu'un trou est entièrement décrit par ces trois paramètres essentiels, qui à eux seuls, permettent de retrouver tous les autres, s'appelle le théorème de calvitie.
Comme tous les trous noirs possèdent une masse, on distingue les différents types de trous noirs selon s'ils possèdent ou non une charge électrique et un moment cinétique :

- Trous noirs de Schwarzschild : un trou noir n'ayant ni charge électrique, ni moment cinétique. C'est le premier type qui a été présenté comme solution de l'équation d'Einstein de la relativité générale par le physicien Karl Schwarzschild en 1915.

Trou noir
Karl Schwarzschlid


- Trous noirs de Reissner-Nordström : un trou noir possédant une charge électrique, mais pas de moment cinétique. On peut noter que la possession d'une charge électrique ne pourrait pas durer car le trou noir absorberait des charges électriques opposées dans la matière autour de lui, et il deviendrait alors un trou noir de Schwarzschild. Ce type de trou noir présente donc un intérêt essentiellement mathématique pour les astrophysiciens. Il fut nommé en l'honneur des deux physiciens qui ont découvert indépendamment les mathématiques qui le décrivent : Hans Reissner (en 1916) et Gunnar Nordström (en 1918).

- Trous noirs de Kerr : un trou noir qui ne possède pas de charge électrique, mais qui est en rotation - qui a donc un moment cinétique. C'est le seul type de trou noir que l'on s'attend à observer véritablement, "en pratique" (mais un trou noir de Kerr peut avoir une rotation si faible qu'on pourra l'assimiler théoriquement à un trou noir de Scharwzschild). Il doit son nom à Roy Kerr, mathématicien néo-zélandais qui a trouvé cette nouvelle solution aux équations de la relativité générale en 1963.

Trou noir
Roy Kerr


- Trous noirs de Kerr-Newman : un trou noir chargé électriquement et possédant un moment cinétique, donc en rotation. Tout comme les trous noirs de Reissner-Nordström, il est peu probable qu'il existe réellement, car sa charge se dissiperait. Néanmoins, il est intéressant de noter que, de par sa charge électrique et sa rotation, un tel trou noir se comporterait comme un aimant.  

II - Classes de trous noirs



  Les trous noirs se différencient également par leur mode de formation et leur masse :

- Les trous noirs stellaires (les plus courants) : ils se forment par l'effondrement d'une étoile très massive en fin de vie. Leur masse varie entre trois à cent fois celle du Soleil. Avec un diamètre d'une centaine de kilomètres au maximum, ils sont très difficiles à détecter, et ne révèlent leur présence que lorsqu'ils aspirent une étoile passant à proximité. Il y en aurait 100 millions dans notre galaxie.
  
- Les trous noirs galactiques (ou super massifs) : on pense qu'ils se forment par l'effondrement d'un énorme nuage de gaz, peut-être de la taille d'une galaxie, sur lui-même. Ils occuperaient le centre de presque toutes les galaxies. Cela ferait 200 000 trous noirs supermassifs autour de nous. Par exemple, au centre de notre galaxie, la Voie lactée, se trouve le trou noir supermassif Sg A* (se lit "Sagittarius A étoile"), qui pèse 4,3 millions de masses solaires pour un rayon de 10 millions de kilomètres. On considère un trou noir comme étant supermassif s'il pèse au minimum 1 million de masses solaires, mais on pense que beaucoup d'entre eux dépasseraient le milliard de masses solaires. Ainsi, en juillet 2019, on a découvert au centre de la galaxie Holmberg 15A un trou noir pesant 10 000 fois plus lourd que Sg A*, soit plus de 40 milliards de masses solaires !
  
- Les trous noirs intermédiaires : d'une masse de cent à dix mille fois celle du Soleil, leur volume égalerait celui de la Lune. Les astrophysiciens pensent qu'ils naitraient dans les amas globulaires. Il s'y produirait la fusion de nombreux trous noirs stellaires, formés par la mort de grosses étoiles voisines, ce qui donnerait des trous noirs trop lourds pour être stellaires mais trop légers pour être supermassifs. Même si de tels trous noirs ont déjà été observés, on n'en a détecté que très peu, et il y a actuellement débat pour savoir s'ils constituent effectivement une catégorie à part ou non.

- Les micro-trous noirs (ou trous noirs primordiaux) : leur existence est elle aussi hypothétique. Au moment du Big Bang, de petites concentrations de matière pourraient avoir donné naissance à des petits trous noirs primordiaux. D'après les calculs des chercheurs, ils s'évaporeraient par rayonnement de Hawking en 10^(-26) seconde (soit 0,000...1 seconde, avec 25 zéros après la virgule, c'est très petit). Leur nombre est estimé à 3 000 par année-lumière cube d'espace.
Selon la physique quantique, des particules se percutant à de très hautes vitesses pourraient concentrer tellement d'énergie en un point qu'un trou noir pourrait s'y former. Leur taille serait plus petite que n'importe quelle particule. Ils pourraient s'observer sur Terre, dans les accélérateurs de particules comme le LHC, où les chercheurs espèrent détecter les particules issues de leur désintégration.

III - Disque d'accrétion et jet de matière



   Les trous noirs sont souvent entourés d'un disque d'accrétion. Dans cette région se trouve la matière attirée par le trou noir, composée de molécules de gaz sur le point de céder à son attraction gravitationnelle. Subissant une accélération et une compression phénoménales, elles chauffent à plusieurs milliers de milliards de degrés. Elles émettent alors de nombreux rayonnements, dont les puissants rayons X et rayons gamma. Ces rayonnements sont très utiles pour les chercheurs, car ils leur permettent de détecter la présence d'un trou noir.

  De plus, autour de certains trous noirs, la matière du disque d'accrétion est violemment expulsée sous forme de plasma le long de l'axe de rotation du trou noir, à des vitesses proches de celle de la lumière. On pense que ce jet de matière se forme à cause du fait que le plasma génère un champ électromagnétique : le champ magnétique va alors canaliser les particules le long de l'axe de rotation du trou noir, tandis que le champ électrique les accélère.
Ce jet pourrait d'ailleurs causer la naissance d'étoiles. En effet, si sur son chemin, il croise un nuage de gaz, le jet peut le déstabiliser. Les molécules de gaz du nuage pourraient alors se concentrer par endroits et attirer les autres molécules par gravitation. Le nuage s'effondrerait alors sur lui-même, donnant naissance à une ou plusieurs étoiles.  

IV - Horizon des événements et singularité gravitationnelle



  L'horizon des événements est une frontière sphérique immatérielle qui est la limite au-delà de la laquelle plus rien de ce qui s'approche du trou noir ne s'échappe, ni matière, ni énergie. Une fois franchi l'horizon des événements, il rigoureusement impossible d'échapper à l'attraction gravitationnelle du trou noir. Par conséquent, il ne nous est pas possible de recevoir des informations venues du centre du trou noir.
Le rayon de la sphère de l'horizon des événements s'appelle le rayon Schwarzschild, il ne dépend que de la masse de l'astre et peut-être déterminé à l'aide de la formule suivante :

Trou noir

Avec :
- M, la masse de l'astre en kg
- G, la constante gravitationnelle en N.m²/kg²
- c, la célérité, c'est-à-dire la vitesse de la lumière dans le vide, en m/s


  Au centre du trou noir, la singularité gravitationnelle est le point où est concentrée toute la matière. Théoriquement, la densité et la courbure de l'espace-temps y sont infinies et les concepts de temps et d'espace cessent d'exister. En pratique, nous n'avons aucune idée de ce qui se passe à l'intérieur d'un trou noir. L'existence de cette singularité est déduite des équations de la relativité générale, mais ces dernières ne permettent pas de la décrire.
La théorie nous dit seulement que l'espace-temps est tellement déformé que ses lignes semblent se rejoindre en un seul point dans le cas d'un trou noir statique (trou noir de Schwarzschild), ou en un anneau dans le cas d'un trou noir en rotation (trou noir de Kerr).
On ignore ce que devient la matière absorbée par le trou noir. On a avancé l'hypothèse qu'elle réapparaîtrait sous forme de "trous blancs" en d'autres régions de l'Univers.

V - Rayonnement de Hawking et évaporation des trous noirs



  Dans les années 1970, le physicien Stephen Hawking a cherché à incorporer un peu de mécanique quantique dans les trous noirs, jusqu'alors décrits exclusivement par la relativité générale. Plus précisément, il a montré qu'un trou noir doit nécessairement émettre un rayonnement, et que ce rayonnement fait diminuer la masse du trou noir jusqu'à provoquer son évaporation totale. Ce rayonnement porte d'ailleurs le nom de rayonnement de Hawking.

Trou noir
Stephen Hawking


  Le rayonnement de Hawking est donc un effet quantique. Il se produit lorsque des paires de particule-antiparticule apparaissent au niveau de l'horizon des événements (il faut savoir qu'en mécanique quantique, le vide a une énergie, qui s'explique par l'apparition un peu de nulle part de paires particule-antiparticule qui s'annihilent). La force gravitationnelle du trou noir est telle que la paire ne va pas s'annihiler mais se séparer : l'une des particules tombe dans le trou noir, l'autre s'en échappe. Ces particules qui s'échappent, c'est le rayonnement de Hawking.
Comme il émet un rayonnement, le trou noir s'évapore et rétrécit progressivement. Les trous noirs ne sont donc pas éternels, et sont condamnés à disparaître. On peut noter qu'un trou noir n'est donc pas complètement "noir", puisqu'il émet un rayonnement.

VI - Première photographie d'un trou noir



  Le 10 avril 2019 a été prise la toute première photographie d'un trou noir, obtenue par interférométrie. Ce dernier est hypermassif : 6,5 milliards de fois la masse du Soleil. Il se situe dans la galaxie M87, a une distance de 55 années-lumière de la Terre. Obtenir une telle image est un exploit qui a nécessité la collaboration de centaines de chercheurs du monde entier, réunis dans le projet "Télescope de l'horizon des événements". C'est en mettant en commun les images de neuf instruments répartis sur huit sites différents que les scientifiques sont parvenus à simuler un seul télescope géant de 9.000 kilomètres de diamètre. Pour donner une idée de ses capacités, il permettrait en théorie à un New-Yorkais de lire le journal d'un Parisien tranquillement assis sur la Tour Eiffel.

Trou noir

Première photo d'un trou noir. Au centre, le disque noir correspond à sa zone d'influence, d'environ 20 milliards de kilomètres (4 fois le rayon du système solaire !). Le cercle orange doré autour est le disque d'accrétion, dont les molécules accélérées et chauffées émettent des rayonnements qui parviennent jusqu'à nos télescopes.




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Informations encyclopédiques
Trou noir
Nom
Trou noir
Nom original
Blackhole
Type
Etoile

Informations administratives
Auteur principal

Co-auteur(s)

Date de création
avant 2006

Date de modification
02/02/2021

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Malgré tout le sérieux dont nous tentons de faire preuve en rédigeant ces fiches, ne perdez pas de vue que nous ne sommes pas des spécialistes de la question et que l'erreur est humaine, et ce même si toutes les sources utilisées sont supposées être "sérieuses". Pour information, voici la liste des diverses sources utilisées pour cette partie consacrée à l'astronomie :

    - Encyclopédie Quid
    - Encyclopédie Encarta
    - Site internet Futura Sciences
    - Site internet de la NASA
    - Site internet du téléscope spatial Hubble
    - Site internet de l'Agence Spatiale Européenne
    - Site internet du Centre National de la Recherche Scientifique
    - Site internet du Centre National d'Etudes Spatiales
    - Site internet 01univers
    - Site internet Astronomes

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