Qu'est ce qu'un trou noir ?


Les trous noirs sont les objets les plus fascinants et les plus mystérieux de l’Univers. Afin de comprendre ce que sont les trous noirs, nous allons nous familiariser avec la théorie de la gravitation selon Newton, puis selon Einstein. Nous serons alors armés pour comprendre ce qu’est concrètement un trou noir.



LA GRAVITATION SELON NEWTON


La gravitation fut formulée pour la première fois par Isaac Newton en 1687. Cette théorie dit que la gravité est proportionnelle à la masse et inversement proportionnelle au carré de la distance, indépendamment de la nature des corps. Qu’est ce que cela veut clairement ? La Terre exerce sur nous une attraction que nous appelons « poids ». Nous percevons fort bien cette force car la masse de la Terre est considérable (6x10^24 kg). En revanche, nous ne percevons pas l’attraction gravitationnelle des gens qui nous entourent. Prenons l’exemple d’un homme de 70kg et d’une femme de 60kg distants d’un mètre. Tous calculs fait, il exerce l’un sur l’autre une attraction deux milliards de fois plus faible que leurs poids respectifs. On peut donc affirmer que ce qui les jette dans les bras l’un de l’autre n’est clairement pas la gravitation ! De plus, la gravitation est quatre fois plus faible à deux mètres de distance, et seize fois plus faible à quatre mètres.


La théorie de Newton a fait ses preuves et continue de le faire au quotidien. Elle permet d’expliquer la chute des objets sur la Terre, tout comme elle a permis de prédire le retour de la comète de Halley en 1759, puis la découverte de Neptune en 1846.


LA GRAVITATION SELON EINSTEIN


En 1905, Einstein a révolutionné notre conception de l’espace et du temps avec la théorie de la relativité restreinte. En effet, dans notre quotidien nous avons l’impression que le temps s’écoule de la même façon où que l’on soit. De même, nous imaginons l’espace comme un cadre au repos dans lequel se déplacent les objets. Einstein nous montre que tout cela est faux. L’espace et le temps sont tous deux relatifs (d’où le nom de relativité donnée à la théorie) et non absolu. L’espace et le temps dépendent ainsi de l’observateur. De plus, l’espace et le temps n’existe pas indépendamment l’un de l’autre. Il faut donc envisager l’espace et le temps comme une composante unique, appelée espace-temps, formant ainsi une quatrième dimension de notre univers.


La théorie de relativité générale, publiée en 1915 par Einstein, indique que la matière courbe l’espace-temps, un peu comme une boule de pétanque courbe le drap sur laquelle elle est posée. Dans le cadre de la relativité générale, la gravitation n’est plus une force mais une manifestation des déformations de l’espace-temps. Ainsi, dans l’espace-temps, les trajectoires ne sont plus des droites mais des géodésiques, c’est à dire des portions de cercle. En relativité générale, la Terre tourne autour du Soleil parce qu’elle se situe dans la courbure de l’espace-temps créée par le Soleil, et non parce qu’elle est attirée par lui. Pour résumé, nous pouvons dire que l’espace-temps dicte son mouvement à la matière, tandis que la matière dicte sa courbure à l’espace-temps.



Lorsque la gravitation n’est pas trop forte, les prédictions de la théorie de Newton et de celle d’Einstein se rejoignent. Mais dans certaines situations (au voisinage d’une masse très importante par exemple), la théorie de Newton atteint ses limites et il est nécessaire d’utiliser la théorie d’Einstein. C’est le cas par exemple pour calculer la trajectoire de Mercure, dont la proximité au Soleil génère des effets relativistes importants, mais également pour étudier le Big Bang et les trous noirs.


COURBONS L’ESPACE-TEMPS


Comme nous venons de le voir, plus la matière est dense, plus l’espace-temps est courbé, et plus les trajectoires autour sont courbées elles-aussi. Un trou noir est un objet tellement dense et massif qu’il courbe fortement l’espace-temps autour de lui.


Imaginons que l’on puisse comprimer une étoile. La masse de l’étoile reste constante, mais comme son volume diminue, sa densité augmente. Toute la matière finit par se retrouver comprimée dans une zone ponctuelle de densité infinie, nommée singularité. Ce nom traduit l’idée qu’il s’agit d’un objet singulier pour lequel nos lois physiques actuelles rencontrent leurs limites. Au voisinage de la singularité, l’espace-temps est tellement déformé que toutes les trajectoires ramènent vers la singularité. La lumière elle-même est obligée de suivre cette déformation de l’espace-temps et ne peut pas échapper à la singularité.


Le seuil critique de la formation d’un trou noir est exprimé sous la forme du rayon de Schwarzschild, du nom du physicien qui l’a démontré. Ce rayon ne dépend que de la masse de l’objet considéré. Dans le cas du Soleil, il vaut 3 km. Cela veut qui que, si on arrivait à comprimé le Soleil dans une sphère de 3 km de rayon tout en conservant sa masse, il deviendrait un trou noir. Pour mémoire, le rayon du Soleil est de 696 000 km.

La surface sphérique qui délimite la région d’où ni la lumière ni la matière ne peuvent s’échapper du trou noir s’appelle horizon des événements. Elle est égale au rayon de Schwarzschild. C’est une surface géométrique, sans réalité matérielle, nommée ainsi par analogie avec l’horizon terrestre qui limite la portée de notre regard. Mais si la position de l’horizon terrestre dépend de l’observateur, l’horizon du trou noir est, lui, absolu. C’est donc une frontière de l’espace-temps qui partage les événements en deux catégories. A l’extérieur de l’horizon, c’est l’univers ordinaire, dans lequel nous évoluons. A l’intérieur de l’horizon, toutes les trajectoires sont focalisées vers la singularité centrale. Autrement dit, rien de ce qui se passe dans le trou noir ne peut s’en échapper, et ne peut avoir d’influence sur l’espace-temps extérieur.


La première preuve de l’existence des trous noirs arriva en 1971, lorsque les astrophysiciens détectèrent Cygnus X-1, un système binaire dont les caractéristiques suggéraient qu’il s’agissait d’un couple formé d’un trou noir et d’une étoile géante. Depuis, une vingtaine de trous noirs ont été détectés dans notre Galaxie, dont le plus imposant se situe au centre de la Voie Lactée et pèse 4 millions de masses solaires.



LE TROU NOIR EST-IL UN ASPIRATEUR DE L’ESPACE ?


Un trou noir est-il un aspirateur stellaire comme on l’entend souvent ? Avale-t-il toutes les étoiles qui passent devant lui ? Eh bien non ! Fort heureusement, sinon, le trou noir au centre de la Voie Lactée aurait déjà englouti notre Galaxie toute entière et nous ne serions plus là pour en discuter.


A une distance du trou noir bien supérieur au rayon de Schwarzschild, l’espace-temps ne se distingue pas de celui d’un astre normal de même masse. Ainsi, transformer le Soleil en trou noir de même masse ne changerait rien au mouvement des planètes. Et ce n’est qu’au voisinage de l’horizon des événements que se manifesteraient les distorsions spatio-temporelles caractéristiques du trou noir.


CONCLUSION


Les trous noirs font parti des objets les plus mystérieux du cosmos. Leur étude permet de faire progresser notre compréhension de la relativité générale mais aussi de pointer les faiblesses de cette théorie. Si la singularité tapie au cœur des trous noirs échappe à notre physique actuelle, elle oblige les chercheurs à concevoir des théories encore plus élaborées, qui nous permettront un jour, de mieux comprendre notre Univers.

Médiateur scientifique professionnel, conférencier, auteur et astrophotographe, Sébastien Beaucourt pratique l'astronomie depuis plus de 20 ans.


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