LE MYSTERE DES TROUS NOIRS

« environ un million de fois plus d'étoiles dans notre voisinage pour que les collisions entre étoiles puissent aboutir à la formation d'un tel trou noir.

TROUS NOIRS SUPERMASSIFS Difficile à imaginer , mais pourtant, ils existent ! Ces objets incroyablement lourds (des millions, voire des milliards de fois plus lourds que le Soleil) sont issus de la concentration d'énormes quantités de matière ainsi que de la collision entre étoiles, et sont liés aux processus de formation des galaxies qui les hébergent en leur centre.

Cette énorme quantité de matière n'occupe qu'un volume relativement faible, à peu près la taille de notre système solaire.

Le plus proche trou noir de cette sorte n'est autre que celui situé au cœur même de notre Galaxie ! Mais il est suffisamment distant de la Terre pour n'avoir aucun effet notable sur nous.

TROUS NOIRS SUPERLÉGERS Ces trous noirs (de quelques grammes à quelques mas ses terrestres ) se seraient formés pendant les instants qui ont suivi Je Big Bang.

ce que les astrophysiciens considèrent comme la naissance de l'Univers.

Pour cette raison, ces trous noirs sont appelés trous noirs primordiaux.

Pendant les événements très chaotiques caractérisant Je Big Bang (sorte d'exp losion ultra violente d'un état extêmement chaud et condensé de l'Univers) , des fluctuations dans la répartition de la matière auraient pu créer des concentrations très denses donnant lieu à ces minis trous noirs.

Parm i tous les types de trous noirs.

seuls les trous noirs primordiaux n'ont encore pu être détectés.

OBSERVATION DES TROUS NOIRS Maintenant que nous savons ce qu'est un trou noir , et comment les différents types de trous noirs se forment , une question se pose : comment fait-on pour observer ou détecter un objet invisible? En effet, nous savons qu'ils ne peuvent émettre de lumière, puisque rien ne peut s'échapper d 'un trou noir.

En fait, ces phénomènes peuvent être détectés et étudiés uniquement de manière indirecte, par J'effet qu'ils ont sur leur environnement.

Suivant les cas, il est parfois nécessaire d'aller dans l'espace et d'observer à l'aide de satellites pour pouvoir observer certains phénomènes .

La raison est que J'atmosphère terrestre est opaque à certains types de lumière.

LES DIFFÉRENTIS COULEURS DE LA LUMihE Nous ne pouvons voir qu'un domaine assez réduit des différentes couleurs de la lumière .

Ces couleurs sont celles que J'on trouve dans l'arc-rn-ciel.

À chaque couleur (appelée« longueur d 'onde» ) on peut associer une certaine énergie de la lumière : Je bleu est plus énergétique que le rouge, par exemple.

Mais la lumière a en fait une multitude d'autres couleurs que nos yeux ne peuvent pas percevoir .

Par exemple , les rayons ultraviolets sont un autre type de lumière, suffisamment énergétique pour nous brûler la peau lorsqu 'on n'y prête pas attention et que J'on attrape un coup de soleil.

Les rayons X, qui nous permettent de voir notre squelette à travers notre peau , sont encore plus énergétiques.

Les différents types de lumière, en allant du moins au plus énergétique , sont les ondes radio , la lumière infrarouge , la lumière visible , les ultraviolets , les rayons X, et les rayons gamma.

Pour pouvoir voir ces autres couleurs , on peut construire des instruments qui vont détecter ces autres types de lumière .

Mais J'atmosphère de la Terre absorbe une partie de cette lumière provenant de J'espace , il faut donc pour l'observer s'affranchir de J'absorption atmosphérique et aller dans J'espace .

Mais pour quelle raison a-t-on besoin d 'observer toutes les couleurs possibles de la lumière ? La lumière est l'outil fondamental de notre connai ssance de l 'Univers :cette connaissance est principalement dérivée de J'observation du rayonnement émis par différentes régions de l'espace (mais aussi des modèle s physiques cherchant à expliquer les phénomènes observés).

Notre compréhension de l 'Univers a fait un bond énorme lorsque les premières observations autres qu'en lumière visible ont été faites , simplement parce que ces différents types de rayonnements apportent chacun des informations différentes et complémentaires sur les conditions physiques qui leur ont donné naissance.

Pouvoir observer dans différentes couleurs nous apporte littéralement un autre éclairage sur l'objet étudié.

DÉTICTION DES TROUS NOIRS STELLAIRES Dans l 'Univers, la grande majorité des étoiles n'est pas isolée, contrairement à notre Soleil : la plupart des étoiles ont un (voire plusieurs) compagnons.

Le cas Je plus fréquent est celui de systèmes binaires , composés de deux étoiles orbitant J'une autour de J'autre .

Mais chaque membre de ce petit groupe n 'évolue pas à la même vitesse, et les étoiles les plus lourde s finiront leur vie plus tôt que les autres membres du groupe.

Si une étoile suffisamment massive termine sa vie en trou noir , elle va avoir un effet sur son compagnon.

Par exemple, J'immense force gravitationnelle exercée par le trou noir va, par des effets de marée , arracher de la matière se trouvant à la surface d 'une étoile se trouvant à ses côtés.

Cette matière va alors tomber irrémédiablement vers Je trou noir , dans un mouvement de spirale, en formant ce que les astronomes appellent un disque d'accrétion .

La matière qui tombe vers le trou noir est fortement accélérée (puisque la très forte gravité exercée par Je trou noir est, selon Einstein, équivalente à une très forte accélération), et va par conséquent émettre des rayonnements très énergétiques.

Ce rayonnement caractéristique , principalement dans le domaine des rayons X, est détecté par les astronomes qui en déduisent ainsi la présence du trou noir.

Une autre possibilité pour détecter la présence d 'un trou noir est d'étudier l'orbite de la ou des étoiles qui tournent autour .

Cette orbite est perturbée par la présence de cet objet extrêmement dense , et les astronomes peuvent en déduire la présence du trou noir , et même sa masse .

Enfin , il existe un autre moyen de détecter la présence d'un trou noir , en observant des effets de lentille gravitationnelle .

La lumière, selon Einstein , se déplace selon des trajectoires bien définies dans J'espace­ temps .

Si celui-ci est pla~ c 'est-à -dire quand il n 'y a pas d 'objet massif localement , la lumière suit une ligne droite (dans notre espace habituel à trois dimensions ).

Mais si un objet massif vient courber J'espace-te mps , la trajectoire de la lumière n'est plus une ligne droite (voir la trajectoire de la bille passant à proximité de la grosse boule sur Je drap tendu ).

Ainsi , un rayon lumineux provenant d'une certaine région de J'espace est dévié de sa trajectoire lorsqu 'il passe près d'un objet massif comme une étoile, un trou noir , ou encore une galaxie.

Cette prédiction de la théorie de la relativité générale a été vérifiée lors d'une célèbre expérience d'observation menée par Je Britannique Arthur Eddington pendant une éclipse de soleil en 1919 , et ceci constitue la première validation expérimentale de la relativité générale .

Ainsi , les astronomes peuvent détecter la présence d'un trou noir situé entre une étoile et notre Terre lorsqu'il s sont capables de mesurer la déviation d'un rayon lumineux provenant de cette étoile.

Les trous noirs stellaires se trouvent un peu partout dans notre galaxie (on estime leur nombre à 100 millions ), ainsi que dans les autres galaxies, là où des étoiles lourdes ont vécu et se sont effondrée s sur elles -mêmes .

DÉTECTION DES AUTRES TYPES DE TROUS NOIRS Les trous noirs de masse intermédiaire et les trous noirs supermassils sont également détectés indirectemen~ par leur interaction sur leur environnement.

Les effets sont les mêmes que ceux décrits dans Je cas des trous noirs stellaires.

Les trous noirs supermassifs existent probablement au centre de toutes les galaxies, dont la V oie Ladée (notre galaxie).

Il est possible de les détecter en étudiant le mouvement des très nombreuses étoiles qui peuplent Je centre des galaxies et qui tournent autour de ce trou noir géant.

Elles ont des vitesses de rotation très élevées, ce qui ne peut s'expliquer que par la présence d 'une mas se énorme dans une région de J'espace très réduite­ autrement dit d'un trou noir supermass if.

Mais la principale manifestation de J'existence de trous noirs supermassils provient de l'énorme quantité de rayonnement émis par la matière tombant vers Je trou noir.

Certaines galaxies distante s de la nôtre possèdent une région centrale avec un trou noir attirant la matière autour de lui si activement que le rayonnement émis au centre de ses galaxies est largement supérieur au rayonnement émis par notre galaxie toute entière .

Ces galaxies sont connues sous le nom de galaxies à noyau actif.

Un exemple d 'un tel type de galaxie est le quasar.

Sans ces trous noirs , ces galaxies lointaine s seraient en fait inobservables.

C'est un aspect fascinant des trous noirs supermassifs .

Bien que n'émettant pas de rayonnement eux-mêmes , la matière tombant sur eux en émet tellement que ces régions sont brillantes .

Les quasars sont probablement les objets connus les plus brillants de l'Univers .

Toutes ces observations ont permis de confirmer J'existence et la présence de nombreux trous noirs dans l'Univers .

l'observation des rayonnements très énergétiques émis par la matière qui tombe en spirale vers les trous noirs apporte également des informations sur les caractéristiques des trous noirs , en particulier leur masse , comment ils se forment, comment ils évoluent.

Mais les études théoriques sont indispensables si l'on veut en savoir plus sur leur fonctionnement.

Fort heureusemen~ il se trouve que les trous noirs sont peut­ être les objets de J'Univers les plus simples à décrire .

DESCRIPTION THÉORIQUE DES TROUS NOIRS Il y a un moyen extrêmement simple de définir un trou noir : c'est un corps dont l'attraction gravitationnelle est si grande que rien, pas m ême la lumi ère, ne peut s'échapper .

Pour pouvoir échapper à l'attraction gravitationnelle d 'un astre , il faut posséder une vitesse minimum, appelée vitesse d'échappement , ou vitesse de libération.

Par exemple, pour pouvoir quitter la Terre à bord d'une navette spatiale et échapper à son attraction , il faut une vitesse minimum de 11,2 km/s (plus de 40 000 km/h).

La vitesse maximale que peut posséder un corps est la vitesse de la lumière dans le vide (300 ooo kmfs).

Par conséquent , tout astre dont la vitesse de libération est supérieure à la vitesse de la lumière est un trou noir .

Cette définition permet d'obtenir très simplement les caractéristiques d 'un trou noir .

Si J'on connaît sa masse , par exemple par J'étude du mouvement des étoiles orbitant autour, on peut en déduire son rayon.

Un trou noir 5 fois plus lourd que le Soleil a un rayon de 15 km ! Ce rayon est aussi appelé " horizon des évènements », et il définit une sphère .

Cette expression signifie simplement que J'on ne peut avoir aucune connaissance d 'un " évène ment » se produis ant dans un rayon inférieur à J ' horizo n, car aucune information ne peut nous en parvenir (puisqu'il faudrait que cette information, quelle que soit sa nature , se propage à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière pour s'échapper du trou noir) .

Le trou noir n'a pas de surface solide : J ' horizon n'est qu'une limite symbolique séparant J'intérieur du trou noir (que J'on ne peut en aucun cas voir ou sonder) et J'extérieur du trou noir.

En dehors de la masse, un trou noir se caractérise par sa vitesse de rotation .

Cette vitesse peut être nulle , et Je trou noir est alors immobile .

Cependan~ la majorité des trous noirs possède très probabl ement un mouvement de rotation.

Enfin, on pense que les trous noirs ne sont pas chargés électriquement, et on néglige donc cet aspect.

En résumé , un trou noir est défini par sa masse (ou son rayon) et sa vitess e de rotation .

Un corps qui serait en orbite autour ou approcherait d 'un trou noir peut toujours lui échappe r s'il possède une vitesse suffisante et qu'il se trouve au delà de J'horizon des évènements .

Une fois franchi J'horizon des évènements, aucun observateur extérieur ne peut savoir ce qui se passe à J'intérieur du trou noir .

Toutefois , la théorie de la relativité générale permet de se faire une idée .

Une fois J 'horizon des évènements franchi, les forces de marée dues à l'énorme gravité détruisent complètement toute matière.

La notion de matière faite d 'atomes comme nous la connaissons sur Terre n'a plus de sens .

Il existe au centre du trou noir une singularité, ainsi appelée car on n e peut pas lui donner une dimensi on.

C'est vers cette singularité que converge tout ce qui franchit l'horizon des évènements.

Cela correspond au cas où la boule dont on a parlé plus haut est si Jourde et si compacte qu'elle troue Je drap sur lequel elle est posée.

Dans ce trou tombe irrémédiablement toutes les billes qui passeraient à proximité.

La relativité générale prévoit ensuite deux possibilit és : soit il ne se passe rien , soit depuis cette singularité se crée un « trou de ver », sorte de raccourci de l'espace- temps qui permettrait de se retrouver dans une autre région de J'espace- temps.

On ressort du trou de ver par ce qui est appelé une fontaine blanche (par opposition au trou noir ).

Il est fort possible qu'on ne puisse jamais savoir ce qu'il se passe vraiment à J'intérieur des trous noirs .

STEPHE N HAWKI N G Physicien britannique né à Oxford en 1942, Stephen Hawking effectue de nombreuses recherches sur la relativité et la mécanique quantique.

C'est lui qui suggère, en 1971, que les trous noirs primordiaux sont contemporains de la formation de J'Univers.

Aujourd'hui, il est professeur de mathématique à l'université de Cambridge.. »