Trou noir
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Un trou noir, aussi appelé singularité, est un hypothétique objet astronomique si dense que sa vitesse de libération est supérieure à la vitesse de la lumière ; l'intensité de son champ gravitationnel serait telle qu'aucune particule franchissant son horizon, même un photon, ne peut s'en échapper : aucune lumière ne peut en parvenir.
Les trous noirs les plus étudiés d'un point de vue théorique, les trous noirs stellaires, pourraient résulter de l'effondrement gravitationnel du cœur d'une étoile massive.
En effet, durant son existence une étoile est soumise principalement à deux forces, à peu près en équilibre (voir évolution stellaire) :
- elle se contracte sous l'effet de son propre poids,
- elle se dilate sous celui des réactions nucléaires qui ont lieu en son cœur.
Lorsque le combustible nucléaire (l'hydrogène) vient à manquer, l'étoile amorce une contraction inexorable. Une force de pression d'origine quantique, la pression de dégénérescence, entre alors en jeu (elle est due au fait que les constituants de l'étoile sont des fermions obéissant au principe d'exclusion de Pauli). Cependant, si la masse de l'étoile dépasse une valeur critique, cette pression est insuffisante pour s'opposer à la gravitation : elle s'effondre, éventuellement jusqu'à former un trou noir (si elle est suffisamment massive et si aucun autre phénomène physique n'entre en jeu).
L'expression consacrée pour désigner les trous noirs en général est collapsar (de l'anglais « collapsed star » : étoile contractée, effondrée). Cependant, l'expression trou noir est employée par analogie à l'image du « disque obscur » en français.
Genèse du concept
Article détaillé : Historique des trous noirs
1783
Le géologue John Michell expose dans un article envoyé à la Royal Society le concept d'un corps si massif que même la lumière ne pourrait s'en échapper. La théorie newtonienne de la gravitation et le concept de vitesse de libération étant connus, Michell calcule qu'un corps d'un rayon de 500 fois celui du Soleil, et ayant la même densité, aurait une vitesse de libération égale à celle de la lumière et serait donc invisible si la lumière était attirée par la même force que les autres corps (selon sa masse !). Michell considère possible (bien qu'improbable) l'existence de tels objets.
1796
Le mathématicien français Pierre-Simon Laplace expose la même idée dans les deux premières éditions de son livre Exposition du système du Monde mais la retire des éditions ultérieures.
XIXe siècle
Le concept rencontre peu d'attention durant cette période car la lumière est considérée sans masse ; elle ne peut donc pas être soumise à la gravitation.
1915
Albert Einstein développe une nouvelle théorie de la gravitation, la relativité générale, qui prédit la courbure des rayons lumineux par des corps suffisamment massifs. Quelques mois après, Karl Schwarzschild trouve une solution de l'équation d'Einstein pour le champ gravitationnel engendré par un corps de symétrie sphérique. Loin du centre, cette solution est compatible avec la gravitation newtonienne et plus proche, elle reflète l'effet de la courbure de l'espace-temps par la gravitation.
Cette solution présente deux particularités :
- au centre de l'objet, la densité cesse d'être calculable
- à une certaine distance du centre, appelée actuellement rayon de Schwarzschild, se trouve une autre singularité.
Aujourd'hui, on sait que cette deuxième singularité résulte de l'emploi d'un système de coordonnées particulier. Ce rayon correspond au diamètre de l'horizon d'un trou noir qui n'est pas en rotation, mais cela n'était pas très bien compris à l'époque. Schwarzschild lui-même considérait que ces singularités ne correspondaient pas à des solutions réelles.
Cette solution montre cependant que ce que l'on nomme actuellement trou noir peut être mathématiquement envisageable.
années 1920
En 1921 Paul Painlevé et Allvar Gullstrand donnent indépendamment une solution très simple de l'équation d'Einstein pour le champ gravitationnel engendré par un corps à symétrie sphérique. Cette solution n'admet pas de singularité au rayon de Schwarzschild.
Le physicien indien Subrahmanyan Chandrasekhar montre, que selon la relativité restreinte, un corps non-radiatif, au-delà d'une certaine masse (appelée depuis limite de Chandrasekhar), s'effondre sur lui-même car aucune force ne pourrait contrarier l'effet de la gravitation. Arthur Eddington, convaincu que quelque chose arrête inévitablement cet effondrement, s'oppose vivement aux arguments de Chandrasekhar.
1939
Robert Oppenheimer et Hartland Snyder prédisent que les étoiles massives peuvent effectivement subir un tel effondrement gravitationnel. Néanmoins, ces objets hypothétiques ne seront pas d'un grand intérêt pratique avant la fin des années 1960. Cette même année Albert Einstein publie un article dans lequel il montre clairement que la "singularité de Schwarzschild" n'a aucun sens physique : pour lui, le trou noir n'est pas une réalité physique.
1967
L'intérêt pour les objets effondrés reprend avec la découverte des pulsars. Le terme trou noir est inventé par le physicien (théorique) John Wheeler (http://www.truephysics.com/timeline/timeline1961_1980.html). Le terme étoile noire, qui était parfois utilisé (ce terme était apparu dans un des premiers épisodes de Star Trek) sera encore utilisé occasionnellement après 1967 par certaines personnes trouvant vulgaire le terme trou noir lorsqu'il est traduit depuis l'anglais vers, par exemple, le français ou le russe et l'espagnol.
Formation d'un trou noir
Article détaillé : Formation des trous noirs
Un trou noir est une des possibilités envisagées à la suite de l'effondrement d'une étoile sur elle-même. Trivialement, un trou noir est un corps qui ne fait que s'effondrer sur lui-même et attire vers lui de la matière, qui éventuellement disparaît en son sein. Le développement mathématique du cycle de vie des étoiles au cours du XXe siècle explicite sous quelles conditions une étoile deviendra un trou noir. La condition principale étant liée à la densité de l'étoile, d'autres processus de formation que l'effondrement gravitationnel sont envisagés, par exemple par accrétion de matière.
Les trous noirs et l'espace-temps
Article détaillé : Trou noir et espace-temps
Dans la Relativité générale, la gravité n'est pas une force mais une manifestation de la courbure de l'espace-temps. Un trou noir, de par sa densité, vient trouer l'espace-temps en un point, en créant une dépression infinie. Les interactions gravitationnelles entre trous noirs et environnement stellaire proche (aux échelles astronomiques) sont le seul moyen d'étudier ces premières.
Observation des trous noirs
Article détaillé : Observation et détection des trous noirs
De très nombreux astrophysiciens tentent depuis plusieurs années de détecter des trous noirs, à travers l'observation de leur environnement galactique proche. L'étude des interactions gravitationnelles n'est pas la seule piste suivie, puisqu'on s'intéresse aujourd'hui aussi à la spectroscopie ou aux ondes gravitationnelles. De façon générale, ce sont des systèmes entiers où l'on soupçonne la présence d'un trou noir qui sont étudiés. À ce jour, aucune observation ne s'est révélée parfaitement convaincante : il y a toujours une autre explication possible "plus classique" que la présence d'un trou noir. .
Les trous noirs, de densité théorique infinie, sont la résultante d'un paradoxe intrinsèque à la physique quantique car ils sont définis par une singularité. Cela les place hors de la mesure, hors de la théorie physique même, qui cherche au contraire à éliminer les infinis. Ce problème tout à la fois théorique et expérimental est à l'origine du débat scientifique majeur sur l'existence des trous noirs, qui a commencé au début du XXe siècle et se poursuit sur d'autres terrains théoriques que celui de la seule évolution stellaire.
Les observations indirectes ne permettent pas encore de trancher de façon certaine entre trous noirs et étoiles à neutrons ; la théorie mathématique est poussée à la contradiction si on tente de lui faire correspondre une réalité : on peut alors s'intéresser aux questions qui en découlent. Quelle validité pour la relativité générale, dont les trous noirs ont été déduits ? Comment appréhender les concepts de l'espace et du temps quand on ne sait plus les définir physiquement ? Comment intégrer les trous noirs dans une théorie physique acceptable ?
Les trous noirs acoustiques
Article détaillé : Trou noir acoustique
Les trous noirs supermassifs
Article détaillé : Trou noir supermassif
Les trous noirs primordiaux
L'effondrement d'une étoile ne constitue pas le seul moyen de créer des trous noirs. Dans les années 1970, Stephen Hawking et Bernard Carr ont étudié un mécanisme de formation des trous noirs dans l'Univers primordial.
Des micro-trous noirs
On pourrait créer des trous noirs en laboratoire, dans des accélérateurs de particules comme le LHC. Ces trous noirs seraient très petits, très légers, et auraient une durée de vie très courte. En effet, pour de tels trous noirs, l'effet d'évaporation serait beaucoup plus important.
Singularité nue
Dans les années 1970, Kip Thorne avait émis l'hypothèse qu'un trou noir (donc avec "horizon") ne pouvait se former que si toute la masse s'effondrait dans toutes les directions en même temps, la singularité était sphérique. Si ce n'était pas le cas et que l'étoile s'effondrait asymétriquement, il pouvait se former une singularité « nue » (sans horizon), visible, en violation du principe des censures cosmiques de Roger Penrose. Il s'accordait également pour démontrer que si cet objet tournait sur lui-même bout à bout, il émettrait de fortes ondes gravitationnelles. Les travaux des chercheurs de l'Université Cornell semblent aller dans ce sens.
En 1990, à l'université Cornell, Stuart Shapiro et Saul Teukolsky, déjà connus pour leurs modèles des étoiles effondrées, sont parvenus à démontrer à partir de simulations informatiques que sous certaines conditions les singularités pouvaient être visibles. Dans ce cas, la théorie de la relativité générale ne peut plus guider les cosmologistes pour prédire l'évolution future de l'univers.
Il semble que si une masse hétérogène de forme allongée, une prolate très massive s'effondre jusqu'au stade ultime, elle se transforme non pas en corps sphérique, mais linéaire, en forme de cigare, avec une singularité nue à chaque extrémité. Selon les calculs de Stuart Shapiro et Saul Teukolsky, les oblates qui s'effondrent sur elles-mêmes prennent une forme aplatie avant de devenir prolate et de s'effondrer de la même manière. Leurs calculs tiennent comptent de la théorie d'Einstein, gommant du fait même le défaut majeur de la théorie de la relativité générale : la singularité.
L'information peut s'échapper d'une singularité nue et quitter son emprise gravitationnelle. Ce rayonnement que personne n'a jamais vu et qu'il est encore impossible de décrire serait émis par la singularité sans référence à la loi de causalité. Les informations nous parviendraient dans un ordre tout à fait aléatoire, brisant la flèche temporelle du passé vers l'avenir. La perte de masse par rayonnement gravitationnel serait très inférieure à 1%, ce qui signifie que toute l'énergie de ces corps (gravitationnelle, cinétique et potentielle) se trouverait confinée dans la singularité.
Enthousiasmés par leur découverte, les chercheurs de Cornell poursuivent leurs recherches mais n'en restent pas moins réalistes. Shapiro disait en 1990 : « Les objets que nous avons étudiés n'existent probablement pas dans la réalité ». Il est vrai que ce scénario n'a pas la prétention d'être une théorie complète et ces simulations n'en sont pas les démonstrations. Pour asseoir leur hypothèse, de manière à ce qu'elle soit plus conforme à la réalité, l'équipe de Cornell tente d'élaborer un modèle plus réaliste des singularités, en choisissant d'autres matières, des masses moins hétérogènes ou des vitesses de rotation différentes. Si leur modèle pouvait prédire un événement vérifiable dans l'univers, toute la théorie physique en serait bouleversée.
Bien que très en-deçà du pouvoir de résolution des télescopes actuels - une singularité d'un milliard de masses solaires (0.0001") serait détectable à 0.5 parsecs, la découverte directe d'une seule singularité nue ferait vaciller toute les prédictions concernant l'évolution de l'univers. Seul un système de la puissance d'un réseau interférométrique intercontinental pourrait détecter une telle entité.
Évaporation des trous noirs
Article détaillé : Évaporation des trous noirs
L'évaporation, mathématiquement définie par Stephen Hawking, est l'idée selon laquelle un trou noir peut non seulement augmenter en masse et ainsi dilater, c'est-à-dire augmenter de taille, mais autant il pourrait perdre de masse et diminuer de taille. Il pourrait le faire par l'émission des particules, ce qui s'explique par l'étude du vide quantique et des couples particules/anti-particules. Cette idée est une petite révolution dans la « révolution » des trous noirs, car elle permet en théorie de disposer d'informations sur les trous noirs a posteriori.
Un cas particulier : Cygnus X-1
Article détaillé : Cygnus X-1
Cygnus X-1 est un système binaire peut-être constitué d'un trou noir en rotation sur lui-même, et d'une étoile en orbite autour de ce trou noir. Son étude a débuté en 1965, ce qui en fait un cas de référence.
Mythes et contre-vérités sur les trous noirs
Objets célestes fascinants, mystérieux et controversés, les trous noirs s'entourent depuis leur découverte théorique d'un voile d'idées reçues et de mythes, qui parfois entravent même les débats scientifiques.
Q: Les trous noirs, ça n'existe pas !
- R: Tout dépend du sens donné au verbe exister ! Mathématiquement parlant, un trou noir est parfaitement défini par les équations relativistes, et c'est même pour cela que les premières observations ont été mises en place. Dans la pratique, les indices de l'existence avérée de trous noirs s'accumulent, à un rythme lent mais régulier, grâce aux progrès techniques. Évidemment, tous les scientifiques ne sont pas d'accord sur l'existence de tels ou tels trous noirs, mais de toute façon la recherche de ces corps a été et reste un stimulant puissant de la recherche astronomique.
Q: Est-il vrai que les trous noirs sont le pendant négatif du Big-Bang ?
- R: De façon pragmatique, on pourrait être tenté de répondre oui, mais c'est faux en toute rigueur. Le Big Bang est une théorie cosmologique qui veut expliquer la naissance de l'Univers, et qui possède un crédit sérieux parmi la communauté scientifique. Elle repose sur une singularité mathématique, tout comme les trous noirs, mais ces derniers sont des cas particuliers d'un tout qui aurait son origine dans le Big Bang. On ne peut donc pas dire que l'Univers a commencé par Big Bang et qu'il disparaîtra dans un trou noir, car les deux phénomènes ne sont pas de même nature.
Q: Peut-on voyager dans le temps par un trou noir ?
- R: Il s'agit d'une question à laquelle nul ne sait répondre. Il est cependant exact que la métrique de Kerr, décrivant un trou noir en rotation, autorise le passage d'un mobile au travers de la singularité centrale annulaire ; le mobile émerge alors dans un « autre » monde aux caractéristiques étranges (gravité répulsive, etc.), et peut, moyennant plusieurs allers-retours de ce type, revenir « ni-ici-ni-maintenant » (elsewhere-elsewhen) dans notre univers. Le problème de ce genre de raisonnement est qu'il repose sur un modèle mathématique théorique, dont la validité physique restera à jamais hypothétique… et même si quelqu'un allait la vérifier sur place nous ne le saurions jamais, puisqu'il faudrait par surcroit que l'information nous revienne, ce que les propriétés d'un trou noir interdisent !
De même, à l'approche d' un trou noir, la différence de gravité entre deux distances serait telle, qu'une personnes ne pourrait survivre a l'étirement que son corps subirait (Les pieds accéléreraient plus vites que la tête).
Bibliographie
- Kip S. Thorne, Trous noirs et distorsions du temps, Champs Flammarion, 1994
- Henri Poincaré, La Valeur de la Science, Champs Flammarion, 1905
- Jean-Pierre Luminet, Les trous noirs, Points, Coll. Sciences, édition de 1992
- Stephen Hawking, Roger Penrose, La nature de l'espace et du temps, Folio essais, 1996
- Isaac Asimov, Trous noirs — l'explication scientifique de l'univers en contraction, éditions L'étincelle, 1978
Ressources
Articles apparentés
Liens externes
- (fr) Trou noir, dossier introductif par futura-sciences.com
- (fr) Astrofiles: Le mystère des trous noirs
- (fr) Les trous noirs, article sur Astrosurf
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