Comprendre les trous noirs
Simulation d'un trou noir (Alain Riazuelo, Obspm)
Comme nous l'avons vu dans les articles précédents, un grand nombre de choses incroyables arrivent quand une étoile meurt. Si la masse du noyau de l'étoile est inférieure à 1,4 fois celle du Soleil, elle devient une naine blanche, une boule très chaude composée de matière ultra-compressée qui mesure environ la taille de la Terre. Si le noyau a une masse entre 1,4 et 2,8 fois la masse du Soleil, il s'effondre davantage, devenant une étoile à neutrons mesurant seulement quelques dizaines de km de diamètre. Les neutrons qui la composent résistent à l’effondrement et lui permettent de ne pas dégénérer davantage. Mais que se passe-t-il si la masse du noyau est supérieure à 2,8 fois celle du Soleil ?
Si cela arrive, la gravité du noyau dépasse l'incroyable résistance des neutrons. L’étoile continue à se contracter. Quelle force peut l’arrêter maintenant ? Aucune ! Il n'y a littéralement rien dans l'Univers capable de stopper l'effondrement. Le noyau de l'étoile est sur le point de disparaître.
Dans la vidéo sur la gravité, je vous ai parlé de la vitesse de libération. C’est ce paramètre qui va être l’acteur principal des événements qui mènent à l’effondrement du noyau d'une étoile massive. Pour rappel, la vitesse de libération est la vitesse que vous devez atteindre pour quitter définitivement la surface d’un objet. Pour la Terre, la vitesse de libération est d'environ 11 km/s. Le Soleil, qui a une gravité plus importante que celle de la Terre, a une vitesse de libération de plus de 600 km/s. Une étoile à neutrons, avec sa très forte gravité, peut avoir une vitesse de libération de 150 000 km/s. Soit la moitié de la vitesse de la lumière !
Gardez ça en tête, et retournons au noyau de l'étoile qui est en train de s'effondrer. Pendant que le cœur se contracte, sa gravité devient de plus en plus importante. Cela veut dire que sa vitesse de libération devient de plus en plus importante. Quand on arrive à la taille d'une étoile à neutrons, la vitesse de libération est la moitié de la vitesse de la lumière, mais si la masse est supérieure à 2,8 fois la masse solaire, le noyau va continuer de s'effondrer. Quand la taille atteint 18 km de diamètre, la vitesse de libération est égale à la vitesse de la lumière ! Et comme vous le savez, rien ne peut se déplacer plus rapidement que la vitesse de la lumière. Une fois que la noyau de l'étoile a rétréci au-delà cette taille limite, rien ne peut s'en échapper. Aucune matière ne peut en sortir. L’étoile est devenu un TROU NOIR.
Un trou noir est l'étape finale ultime pour le noyau d'une étoile massive. Tout ce qui arrive dans un trou noir reste dans un trou noir. La région de l'espace autour du trou noir où la vitesse de libération est au moins égale à la vitesse de la lumière est appelée l'HORIZON DES ÉVÉNEMENTS pour une raison très simple : on ne connaitra jamais les événements qui se déroulent à l'intérieur ; ils sont au-delà de notre horizon. Dans une vidéo précédente, nous avons décrit physiquement un trou noir.
Les trous noirs mettent à mal nos concepts d'espace et de temps. Les maths et la physique qui expliquent les trous noirs sont incroyablement complexes. Tellement complexes qu'après plusieurs dizaines d'années de recherches, les physiciens ne sont toujours pas d'accord sur pas mal de leurs propriétés. Ce qui a mené à pas mal d'idées reçues à leur sujet.
IDÉE REÇUE N°1 :
Commençons par le commencement : le Soleil ne peut pas devenir un trou noir ! Il faut que le noyau de l’étoile ait au moins 3 fois la masse du Soleil pour contrebalancer la pression de dégénérescence des neutrons. Cela veut dire qu’à l’origine, quand l'étoile se forme, elle doit avoir au moins 20 fois la masse du Soleil pour espérer devenir un tour noir. Donc nous sommes à l'abri de ce scénario de science-fiction.
IDÉE REÇUE N°2 :
Beaucoup de personnes pensent que les trous noirs sont des aspirateurs cosmiques, qui engloutissent tout ce qui se trouve sur leur chemin. Mais ce n'est pas vraiment correct. Ils ont une forte gravité, oui, mais seulement quand vous êtes très proche du trou noir. Rappelez vous, la gravité dépend de la masse, mais diminue rapidement avec la distance. Si vous transformez le Soleil en un trou noir - ce qui est impossible, rappelons-le - la Terre resterait en orbite, exactement comme c'est le cas aujourd’hui. Elle ne serait pas avalé par le trou noir. A 150 millions de km, la Terre se fiche pas mal de savoir si le Soleil est une étoile ou un trou noir, car la masse de l’objet n’a pas changé. Elle tourne autour d’un truc qui pèse 300 000 fois plus lourd qu’elle, peut importe que ce soit le Soleil ou un trou noir. Par contre, les choses changent si on se rapproche du trou noir. Si on passe assez près et que l’on franchit l’horizon des événements, dans ce cas, il est impossible d’échapper à l’attraction du trou noir.
Les trous noirs existent en différentes tailles. Ceux dont nous parlons pour le moment ont une masse minimum de 3 fois celle du Soleil, et peuvent atteindre une masse jusqu'à 12 fois celle du Soleil si l'étoile de départ était suffisamment massive. Nous les appelons des TROUS NOIRS STELLAIRES. Ils grandissent en fonction de la quantité de matière qu’ils avalent. Mais il existe des trous noirs beaucoup plus massifs.
L'idée que les trous noir extrêmement massif puissent exister au centre des galaxies a été proposée pour la première fois dans les années 70. Peu de temps après, le premier a été découvert au centre de notre propre Voie Lactée. Il s'appelle Sagittarius A*. On a mesuré sa masse : plus de 4 millions de fois la masse du Soleil ! Et maintenant, on sait que toutes les galaxies spirales en ont un en leur centre. En fait, ils semblent même indispensables pour expliquer la formation des galaxies elles-mêmes. Nous y reviendrons dans les prochains articles.
Première photo d'un trou noir supermassif, situé au centre de la galaxie M87, réalisée en 2019 par l'Event Horizon Telescope
VOYAGE DANS UN TROU NOIR
Maintenant, voyons ce qui se passerait si vous tombiez dans un trou noir. Disons un trou noir stellaire avec une masse 10 fois celle du Soleil. Sans surprise, vous mourrez ! Mais que se passe-t-il dans les premières millisecondes avant que vous quittiez l'Univers observable pour toujours ? Comme nous l'avons vu, les forces de marée sont importantes. Elles apparaissent car la gravité diminue avec la distance. En conséquence, un objet comme un satellite naturel est étiré par la gravité de sa planète, car le côté le plus éloigné du satellite est moins attiré que le côté le plus proche de la planète.
Le trou noir est l’astre qui a la gravité la plus forte, donc les marées qu'il provoque sont intenses. Elles sont tellement fortes que si vous tombiez dans un trou noir stellaire les pieds en premier, la force de gravité subie par vos pieds serait des MILLIONS DE FOIS PLUS FORTE que la force subie par votre tête. Souvenez-vous, même les marées les plus faibles d'une planète peuvent déchirer des lunes. Quand vous multipliez cette force par un million, vous allez avoir quelques soucis ... Pendant que vous êtes en train de tomber à l'intérieur du trou noir, vos pieds sont attirez beaucoup plus fortement que votre tête. Résultat, vous vous étirez. Vous deviendrez un long et fin spaghetti, de plusieurs km de long mais plus fin qu'un cheveu. Les astronomes appellent ça la spaghettification.
Notez bien que cela arrive seulement pour les trous noirs stellaires. Les trous noirs supermassifs au centre des galaxies sont beaucoup plus grands. Leurs diamètres sont de plusieurs millions ou milliards de km. Comparée à cette taille, la distance entre votre tête et vos pieds est petite, donc les marées ne seront pas si sévères. Si ça peut vous rassurez, dans un trou noir surpermassif, vous tomberez presque intact. Mais la taille des étoiles est significative par rapport à la taille des trous noirs. Une étoile qui s'approcherait trop près d'un trou noir subit ses effets de marées. En mars 2011, des astronomes ont été témoins d'un tel événement. Dans une galaxie lointaine, une étoile est apparemment passé trop près d'un trou noir et a été déchiquetée par les forces de marées. Au moment de sa destruction, l'étoile a émis des pics de lumière, éjectant en un instant l'équivalent de 3 milliards de fois l'énergie du Soleil ! C'est cette lumière qui fut captée par les télescopes, alors qu'elle était distante de plusieurs milliards d'années-lumière.
Mais j'ai gardé le truc le plus bizarre pour la fin. Une des plus grandes idées d'Albert Einstein était que l'espace n'est pas juste vide, mais qu’il était "quelque chose", comme un tissu sur lequel toute la matière et l'énergie serait posée. Ce que nous appelons “gravité” est en fait une déformation de ce tissu, comme un drap qui se courbe sous la masse d’une boule de bowling que l’on poserait dessus. Plus l’objet est massif, plus il déforme l'espace. Et ce n'est pas tout ! Comme l’a expliqué Einstein, l'espace et le temps sont fondamentalement deux aspects de la même chose, que nous appelons aujourd’hui “espace-temps”. On ne peut affecter l'un sans affecter l'autre. Einstein a calculé que, quand un objet massif déforme l'espace, un observateur se trouvant à proximité de l'objet source du champ gravitationnel perçoit le temps plus lentement qu'un observateur plus éloigné de l'objet. Je sais, c'est étrange, car nous pensons tous que le temps... avance simplement, et que tout le monde voit le temps avancer au même rythme. Mais comme l'a montré Einstein, cette perception du temps est fausse !
Plus la gravité d’un objet est grande, plus le ralentissement du temps à son voisinage est important. Ainsi, dans un immeuble de 20 étages, l’horloge du rez-de-chaussée avance un peu plus lentement que celle du 20ème étage. L'effet est subtil, mais réel, et on l'a déjà mesuré sur Terre à l'aide d'horloges très précises placées à bord des satellites du système GPS. Cependant, si vous approchez d'un trou noir, l'effet devient beaucoup plus important. Les trous noirs déforment tellement l'espace-temps au niveau de l'horizon des événements que le temps s'arrête presque ! De votre point de vue, vous verriez votre horloge avancer normalement, et puis … plus rien, car vous êtes dans le trou noir. Mais un observateur qui se trouve au loin verrait votre horloge avancer de plus en plus lentement au fur et à mesure de votre chute. Pour l’observateur extérieur, votre chute serait infiniment lente. Ce n'est pas de la science-fiction, c’est un effet relativiste de la gravitation.
Simulation d'un trou noir (Alain Riazuelo, Obspm)
Autre phénomène étrange. La lumière que vous émettez doit combattre l'intense gravité du trou noir pour s'en échapper, et pour ce faire, elle perd de l'énergie. C'est très semblable à l'effet Doppler dont je vous ai parlé dans l'article sur l’analyse de la lumière. Dans ce cas précis, cela s'appelle un REDSHIFT GRAVITATIONNEL. Quand vous vous trouvez sur l'horizon des événements, juste au moment où un observateur extérieur verrait votre horloge s'arrêter, il verrait également votre lumière décalée vers le rouge ! Votre lumière perdrait toute son énergie en essayant de quitter la proximité du trou noir, et vous deviendriez invisible ! Et que se passe-t-il de votre point de vue ? Vous verriez l'univers s'accélérer, et juste au moment où vous atteindrez l'horizon des événements, tout le temps s'écoule instantanément, dans son intégralité. Et toute la lumière vous parvenant de l'Univers serait décalée vers le bleu, devenant tellement haute en énergie que vous serez grillé. Mais comme vous êtes sur le point de tomber dans un trou noir, ce serait le moindre de vos soucis.
Les trous noirs sont tellement étranges, et les maths et la physique nécessaires à leur compréhension tellement compliqués, que les scientifiques sont toujours en train d'essayer de comprendre les trous noirs. Les trous noirs, aussi bizarres et contre-intuitifs qu'ils puissent paraître, sont des objets fascinants. Bien qu'ils semblent effrayants, ils ont littéralement façonné la plupart des objets que nous voyons dans l'Univers.
A RETENIR :
Les trous noirs stellaires se forment quand une étoile très massive meurt, et que son noyau s'effondre. La masse du noyau doit être supérieure à 2,8 fois la masse du Soleil pour former un trou noir.
Les trous noirs ont des tailles et des masses différentes, mais pour tous, la vitesse de libération est plus grande que celle de la lumière, donc rien ne peut s'en échapper, ni matière, ni lumière.
Ils ne parcourent pas l'Univers en engloutissant tout sur leur passage. Vous êtes avaler par le trou noir uniquement si vous franchissez l'horizon des événements.
Les marées près d'un trou noir stellaire peuvent vous spaghettifier, et le temps ralentit quand vous vous en approchez.
BIBLIOGRAPHIE
Cours du Diplôme Universitaire d'astronomie (2004)
Astronomie et astrophysique, Séguin et Villeneuve, 2e édition, Ed : De Boeck Université (2002)
Qu'est-ce qu'un tour noir ? Pascal Bordé, Ed : Le Pommier 2005
Les trous noirs, Jean-Pierre Luminet, Ed : Seuil Point Science 1992
Les idées noires de la physique, Roland Lehoucq, Ed : Les Belles Lettres 2016