Verra-t-on un trou noir en 2018 ? (2)

Cet article fait suite à celui d’hier.

En résumé, un trou noir, c’est un point de l’espace infiniment petit et dans lequel la matière entassée dedans est devenue infiniment dense. Alors pour voir un point infiniment petit… noir… et très éloigné, on peut se demander si les astronomes ne sont pas tombés sur la tête !

Je vais donc introduire un autre concept qu’il faut connaitre provenant de cet hirsute personnage, mais un peu plus génial que moi, Albert Einstein. Il y a 103 ans, sa théorie de la relativité générale nous apprenait que l’espace-temps se déforme lorsqu’il y a de la matière. Et plus cette matière est dense, plus l’espace se déforme.

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L’image classique est celle du trampoline avec une boule de quilles au centre. Remplacez la boule de quilles par une boule d’or, puis par une boule d’uranium, plus la matière est massive, plus le trampoline s’enfonce autour de l’objet. Placez-y maintenant un trou noir, le trampoline se déforme tellement que sa trame devient un puits sans fond. Ainsi, autour d’un trou noir, la trame d’espace-temps se creuse à l’infini.

 

Ce puits attire donc les objets environnants, mais également tout ce qui s’en approche trop, lumière incluse. Ce n’est pas le trou noir qui attire la lumière, c’est l’espace qui a pris la forme d’un entonnoir. La lumière ne fait que suivre la géométrie de cet espace qui plonge sans fin. On dit qu’elle suit la géodésique de l’espace-temps.

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Si la lumière passe trop près, sa géodésique va l’amener inexorablement dans le puits. Si la lumière passe plus loin, l’espace-temps n’est pas suffisant déformé pour que la géodésique l’amène dans le puits. On comprend donc qu’il y a une limite entre le « juste un peu trop près, je tombe » et le « juste assez loin, je m’en sors ».

Sous cette limite, la lumière est piégée par le puits spatiotemporel. Au-delà, elle parvient à poursuivre sa trajectoire. Puisque le puits gravitationnel est tridimensionnel (sa déformation se crée dans les 3 dimensions d’espace), la limite est également tridimensionnelle. Elle prend donc l’apparence d’une sphère. Et puisque toute lumière passant sous cette limite est irrémédiablement piégée dans le puits, cette sphère ne peut émettre aucune lumière. Elle est donc parfaitement noire. On a l’impression que le trou noir a une bonne dimension puisqu’on voit une grosse sphère noire. Cependant, le trou noir reste un point infinitésimalement petit. La sphère noire autour du trou noir est simplement un effet créé par le trou noir, ce n’est pas le trou noir. Cet effet visuel ne contient rien, ni matière, ni lumière, sauf en son point central infiniment petit. Cependant, on a l’impression de voir le trou noir.

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La surface de cette sphère parfaitement noire se nomme l’horizon des événements du trou noir. Plus le trou noir sera massif, plus cet horizon gonflera, puisque l’espace déformé s’agrandit de plus en plus. On a l’impression de voir le trou noir grossir. C’est toujours l’horizon des événements qui grossit, pas le trou noir qui reste toujours, peu importe la masse engloutie, un point infiniment petit.

Donc, mon titre est un peu racoleur puisqu’on ne peut voir que l’horizon des événements d’un trou noir, pas le trou noir comme tel.

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Toutefois, les astronomes eux-mêmes parlent de voir un trou noir. Vous pourrez donc corriger leur abus de langage la prochaine fois que vous croiserez un astronome au supermarché. « Tut, tut, tut ! horizon des événements mon ti-noir ! Tu ne me passeras pas un horizon pour un trou ! »

Bon, maintenant on sait qu’on peut admirer l’effet d’un trou noir sur l’espace qui l’entoure, ça ressemble à une sphère toute noire, ça s’appelle un horizon des événements, ça peut donc s’observer.

Demain, on verra comment s’y prendre pour voir des horizons des événements qui sont passablement petits. Et les trous noirs supermassifs alors ? On aurait probablement plus de chance avec ceux-là.

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Verra-t-on un trou noir en 2018 ? (1)

Est-ce que nous pourrons voir un trou noir très bientôt ?

Évidemment, la question aurait de quoi faire rire. Puisque le fond du cosmos est noir, regarder un trou noir sur un fond noir, c’est comme observer un corbeau dans un placard. Pourtant, il est possible de voir ce à quoi un trou noir ressemble en regardant ses effets sur son environnement.

Afin de répondre à la question initiale, j’aurai besoin d’expliquer succinctement différents concepts que je distribuerai dans des articles distincts.

Le premier article sera donc consacré à rappeler comment se forme un trou noir afin de comprendre sa nature.

Une étoile est un délicat équilibre entre deux forces antagonistes. Tout d’abord, une étoile, c’est une bombe nucléaire. La pression engendrée par la fusion nucléaire tend donc à disperser les constituants de l’étoile comme le fait n’importe quelle bombe nucléaire. Toutefois, puisqu’une étoile est aussi un agrégat important de matière, la gravitation retient la matière éjectable en la concentrant au centre de l’astre, ce qui maintient l’étoile en une sphère plutôt stable.

Une étoile est donc une sorte de balance à ressort qui retient le poids déposé sur son plateau en le repoussant jusqu’à un équilibre entre les deux.

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Formation d’une étoile à neutrons

Cependant, le carburant nucléaire venant en fin de compte à manquer — et cela arrive d’autant plus rapidement que l’étoile est obèse — la pression des explosions nucléaires ne suffit plus à contrebalancer la force gravitationnelle qui comprime l’étoile. De ce combat singulier perdu d’avance, l’étoile finira par imploser sous son propre poids. Si elle possède suffisamment de matière, l’implosion réussira à vaincre les autres forces répulsives possibles dans la matière. Les électrons deviendront incapables de se repousser mutuellement (principe d’exclusion de Pauli) et finiront par s’écraser sur les noyaux des atomes. Ce faisant, les électrons fusionneront avec les protons du noyau pour former des neutrons. On obtient ainsi une étoile d’une densité extrême dont son cœur est entièrement composé de neutrons. Tous ces neutrons sont comprimés dans une sphère de 20 à 40 km de diamètre pour l’équivalent en poids d’une étoile de 1,4 à 3,2 fois la masse de notre Soleil. C’est dire comment la densité de la matière est importante ! Mais une étoile à neutrons n’est pas encore un trou noir.

Trop de matière pour résister

Si l’étoile à neutrons possède une masse supérieure à 3,2 fois celle de notre Soleil, ces particules neutres formant une espèce de noyau atomique géant seront elles aussi incapables de résister à la force gravitationnelle. Les quarks composant les neutrons atteindront leur limite de résistance et flancheront à leur tour.

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Formation d’un trou noir stellaire

À cette étape, il n’existe plus aucun autre mécanisme pouvant résister à la force gravitationnelle. La matière atteint alors sa limite d’existence et s’écrase en se concentrant un point infiniment petit. Le résultat est une singularité des équations de la relativité générale d’Einstein. Un point infiniment petit concentrant une masse de densité infiniment grande. Un trou noir est né.

Ouais, la physique n’aime pas trop les infinis et ces deux infinis du trou noir signifient qu’on a un « trou » dans notre théorie. Un trou noir de connaissances liées aux trous noirs qu’on ne parvient pas à éclaircir. Ironique, n’est-ce pas ? Cette formation des trous noirs se rapporte aux trous noirs d’origine stellaire, c’est-à-dire qu’une étoile est à l’origine du trou noir. Il atteint des masses maximales aux alentours de 14 fois celle de notre Soleil.

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Trou noir galactique (supermassif)

Il existe aussi des trous noirs galactiques. Ce sont des trous noirs tapis au cœur de la plupart des galaxies. Leur origine est controversée, mais il est certain qu’ils ont cru en avalant de la matière environnante et par coalescence avec d’autres trous noirs. Le record est détenu par le trou noir supermassif de la galaxie NGC 4889 qui aurait un petit 21 milliards de fois la masse de notre soleil !

La Voie lactée, notre Galaxie, cache également un trou noir supermassif en son sein. Il deviendra important pour la suite de cet article. Toutefois, sa dimension reste modeste. Il a la taille plutôt fine à comparer à bien d’autres trous noirs en ne pesant que 4 millions de fois la masse de notre Soleil !

Dans le prochain article, j’expliquerai simplement ce qu’on appelle l’horizon des événements d’un trou noir. Cette notion est essentielle pour comprendre comment on peut observer un trou noir.

Je vous donne rendez-vous demain pour la suite de ce passionnant feuilleton et vous encourage entretemps à poser vos questions sous forme de commentaire.

À bientôt.