Les trous noirs

Présentation

Les astronomes ont mis longtemps à comprendre l'origine et l'évolution des étoiles. Ce phénomène céleste fait parti des connaissances les moins maîtrisés et connus de l'être humain. Ce phénomène généralement représenté par des vues d'artistes ou avec des oeuvres de sciences fictions (livre, film, etc ...).
Le terme "trou noir"est connu de tout le monde mais pour trouver un trou noir, il faut chercher une tache sur un fond noir.

Formation et composition d'un trou noir

Un trou noir est une phase possible d'étoile à sa mort, un effondrement gravitionnel d'une étoile massive en fin de vie.
Lorsqu'une étoile géante (d'environ 3 fois la masse solaire) a épuisé son combustible (l'hydrogène) et qu'elle ne peut plus faire de fusion thermonucléaire, elle se dilate pour atteindre 100 fois le diamètre du Soleil. L'étoile égale la taille d'une géante rouge, continue à se consumer puis ses couches extérieures explosent (supernova), une gigantesque explosion qui ne laisse persister que le noyau centrale. La gravitation est tellement énorme que le noyau se contracte. Sa densité augmente jusqu'à un seuil, l'horizon. Dès que ce noyau est plus petit que l'horizon, il devient le centre d'un nouveau trou noir.

Cette concentration crée un gigantesque champ gravitationnel que rien ne peut s'en échapper, même pas la lumière. Tous les objets s'approchant du trou noir sont inévitablement attirés, s'y engrouffent pour ne plus jamais en ressortir.
Cela a pour conséquence de "creuser" l'espace comme un puit.

La densité devient énorme, compressée en un point : le point de singularité; où les lois de la physique connues n'ont plus d'effet.

Un trou noir comme dit précédemment est un"puit" dans l'espace qui est composé d'un "bord", la matière forment un disque d'accrétion qui tourne rapidement. Au frontière de ce disque , qui est la limite entre le trou noir et l'extérieur, est appelée "horizon des événement" (prédit par la théorie de la relativité d'Einstein). C'est une zone où l'on y pénètre pour ne plus jamais en sortir, un endroit de non-retour.

Description

C'est un élément qui attire tout, même la lumière.

En effet, si une étoile est à proximité d'un trou noir, le trou noir aspire la matière de cette étoile.

Ce trou est un "puit"son fond fait dans le tissu de l'espace-temps.

Dans un trou noir, l'espace et le temps sont déformés. Un astronaute qui sauterait dans un trou noir ferait une chute normal au début puis l'astronaute serait attiré, la lumière étant à des longues longueurs d'ondes, l'astronaute apparaisserait rouge, de plus en plus étiré (comme un spaghetti) car la gravitation le tirerait plus par le pied que par la tête. Sa vitesse s'accélérerait et son " temps propre" serait ralentir à l'approche de la singularité (par exemple, les battements de coeur seront très espacé, sans que l'astronaute ne s'en rend compte.
Près du trou il serait disloqué.
Un témoin extérieur n'étant pas attiré par le trou noir verrait un ralentissement du temps au fur et mesure de la chute vers l'horizon.
Si l'astronaute qui serait dans le trou noir regarderait sa montre, la minute qu'il verrait, serait pour nous une perpétuité.

La matière s'approchant du trou noir, accélère, se réchauffe par frottement et près du trou, elle est tellement chaude qu'elle émet des rayons X avant d'arriver au point de singularité et de disparaître. Ces rayons X sont en fait une "dernière parole" de la matière.

Dans les films de science fiction, les trous noir sont souvent représentés comme une sorte de passages temporels, entre notre univers et un univers parallèle.

Mais cette théorie est peu probable car le principe du point de singularité met fin au trou noir. Toutefois, si un passage exciterait d'un trou noir de notre univers à un univers parallèle ou un passage temporelle entre 2 endroit de l'univers, il est difficile de donner une explication à ce voyage, néanmoins, les atomes d'un corps d'être humain (ou autre) se verraient broyer par la gravité et le temps dans ce passage durerait sur Terre une éternité.

Malgré qu'un trou noir n'est pas visible, il y a 3 informations qui peuvent nous parvenir : sa masse, sa charge électrique et sa rotation (angulaire). Avec ses informations, on peut différencier 4 types de trou noir théoriques :

Le trou noir de Schwarzschild :il est statique et non chargé.
Ce modèle n'existe vraisemblablement pas car c'est un modèle le plus simpliste qui existe. Mais il est possible de penser à un trou noir de la manière la plus simple.
Le trou noir de Reissner-Wordström : il est statique et chargé.
La principale différence avec le trou noir de Schwarzschild, c'est qu'il est chargé électriquement. La théorie de Schwarschild est donc peu probable.
Le trou noir de Kerr : il est en rotation et non chargé.
Ce modèle est le plus réaliste de tous, le plus ressemblant à la réalité, l'étoile qui donne naissance au trou noir est en rotation.
Le trou noir de Kerr-Newman : il est en rotation et chargé.
Ce modèle est en fait une amélioration du modèle de Kerr, l'importante différence est qu'il est chargés électriquement.

Les trous noirs les plus courant et étudiés sont ceux de Kerr car ils sont massifs et réaliste.

Histoire

C'est en 1784, qu'apparaît la première idée sur les trous noirs : John Michell, géologue et astronome amateur anglais propose l'hypothèse que de la lumière serait attiré par un objet céleste très puissant. C'est de cette hypothèse qu'il énonça un concept de trou noir.
En 1796, le marquis Pierre Simon de Laplace, astronome passionné par la mécanique céleste expose qu'aucun rayons de ces grands objets ne peuvent arriver à la Terre. Le concept du trou noir apparu après l'auditoire à l'académie des sciences mais les autres astronomes trouvaient la démonstration fantaisiste.
Ce n'est qu'en 1915 que le concept de trou noir réapparait avec Albert Einstein et ses principes de la relativité.
En 1916, Karl Schwarzschild découvre un type de trou noir théorique.
En 1918, Les physiciens Heinrich Reissner et Gunnar Nordstrom révèlent que la matière a une charge électrique et font 1 nouveau type de trou noir théorique.
En 1963, Roy Kerr démontre la rotation des trou noir et crée 2 nouveaux types de trou noir théorique.
En 1967, John Wheeler nomme trou noir une singularité et l'enveloppe qui l'entoure.
Aujourd'hui, de nombreux projets sont proposés pour en savoir plus sur les trou noirs (ex : LISA).

L'origine du terme "trou noir"

Le terme "trou noir" fut proposé par le physicien John Wheeler en 1967. C'était pour décrire une concentration de masse sans lumière; pour nommer une phase possible d'une étoile qui survient après sa mort.
Ce phénomène est nommé ainsi car il attire toute la lumière, il est donc sans lumière.
En anglais un trou noir donne : Black Hole et se traduit mot pour mot dans tous les langues.

Détection des trous noirs

"Observer la matière entrer dans un trou noir, c'est un peu comme être assis en amont d'une chute d'eau et regarder l'eau disparaître"( phrase de Ramesh Narayan, astronome au Centre d'astrophysique Harard-Smithsonian).

Bien qu'un trou noir soit invisible, impossible à détecter puisque rien ne peut s'en échapper., même pas la lumière mais les astronomes peuvent détecté sa présence par la très forte attraction qu'il exerce sur les gaz des étoiles proches, ces gaz pénètrent dans le trou noir, s'échauffent, émettent des puissants rayons X avant de disparaître dans le point de singularité. Ce sont ces rayons X qui rend possible la détection des trous noirs. C'est ainsi que les astronomes ont découvert plusieurs mystérieux "Halo" de rayons X dans notre galaxie, des candidats au titre de trou noir.

Le télescope Hubble peut en détecter grâce à un spectroscope, déterminer sa possible position et masse.

Le trou noir au centre de notre galaxie

Les scientifiques pensent que chaque galaxie possède un trou noir en leur centre.
Des mesures récentes faites avec le VLT, viennent de prouver l'existence d'un trou noir super-massif au centre de la Voie Lactée.

La masse de ce trou noir serait de 2,7 millions de masses solaires et de taille moyenne.

Depuis cette découverte, ils estiment qu'il pourrait exister environ un million de trous noirs dans l'univers.

Certaines galaxies (dont la Voie Lactée) ont un centre très actif, libérant beaucoup d'énergie. Un trou noir super massif (plusieurs millions de fois la masse solaire) pourrait être à l'origine de telle activité.

Les candidats au nom de trou noir

Aujourd'hui, il y a beaucoup de candidats au titre du nom de trou noir.

Le plus connu est un système double composé de l'objet Cygnus X-1, une étoile éteinte HDE 226868, d'environ 10 masse solaire et d'une étoile bleue, d'environ 20 masses solaires. Ce système serait situé à moins de 14000 a.l.

Il faut environ 1 mois pour que les gaz capturés au niveau de l'horizon des événements arrivent dans la région interne, la plus proche du trou noir.

Au centre de la galaxie M 87 Virgo A, alias 3C274, dans la constellation de la vierge, à 50 millions d'a.l., se trouve un autre candidat. Sa masse serait de 3 milliard de masses molaires. Ce trou noir serait tellement massif, que ces marées gravitationnelles auraient quasiment disparu, par conséquent, il n'aurait pas de disque d'accrétion.

Dans la galaxie NGC 4261, un énorme disque d'accrétion, de 30 millions d'a.l. de diamètre, s'avérerait tourbillonner autour d'un gigantesque trou noir.

Il existe de nombreux autres candidats au titre : Ceux situés au centre de la galaxie M 31 et son satellite M 32, au centre de M 104 (la galaxie sombrero), de M 82, de M 106, de la galaxie de Markarian Mrk 335, de la galaxie NGC 6240, de la galaxie NGC 4258. Il y aurait aussi l'objet V404 Cygni, situé dans le grand nuage de Magellan.

Le projet LISA

Le projet proposé par l'ESA qui prévoit de lancer dans l'espace un système de détection LISA ( Laser Interferometic Space Array). Ce système aurait pour but de détecter et d'observer les ondes gravitationnelles émis par des trous noirs ou des étoiles doubles galactiques. Ce projet a été proposé car de la Terre, ils ne peuvent pas étudier ces ondes gravitationnelles. LISA consiste à lancer vers l'horizon 2015, 3 paires de satellites distant de 6 millions de km.

Lorsque des ondes gravitationnelles traverseront le triangle formé par LISA, les masses témoins à l'intérieur des satellites, oscilleront et cette fluctuation sera mesurée.

La NASA propose aussi une projet similaire baptisée Oméga.

Articles de journaux

-Trou noir en laboratoire (Article paru dans 20' le 6 avril 2005 )

À l'aide d'un collisionneur d'ions, des physiciens américains du Bookhaven National Laboratory sont parvenus à créer, durant quelques milliardièmes de milliardième de milliardième de seconde, une minuscule boule de plasma cents fois plus chaude que la surface du soleil et qui avait toutes les caractéristiques physiques d'un trou noir. Un phénomène complètement sans danger, car, à notre échelle, la gravité d'un tel trou est négligeable.