Trous noirs
Origine du mot
Vue scientifique
Comment ça fonctionne ?
Selon les astrophysiciens
Les références
Définitions générales
Trois types de trous noirs
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©Télescope Chandra

La petite histoire Up Page
Origine du mot
Le terme de "trou noir" est utilisé pour la première fois le 29 décembre 1967 par John Archibald Wheeler.
Ainsi peut-on définir le trou noir: "région de l'espace-temps à l'intérieur de laquelle le champ gravitationnel est si intense qu'il empêche toute matière et tout rayonnement de s'échapper". Nous verrons en fait que le phénomène est plus complexe.
Il peut théoriquement exister des trous noirs de toutes les tailles et de toutes les masses: Depuis les trous noirs microscopiques ayant la taille d'une particule élémentaire ainsi que le décrivent Charon, puis Hawkings, jusqu'aux trous noirs géants de plusieurs milliards de masses solaires et aussi gros que le système solaire.

Vue scientifique Up Page
Vus par les cosmologues
Bien que, par définition, aucun d'eux ne soient visibles, on soupçonne que leur nombre, simplement dans notre galaxie, dépasse les centaines de millions (soit probablement des milliards de milliards pour l'univers entier). Il existerait par ailleurs, au centre de notre galaxie (comme sans doute de toutes les galaxies) un trou noir gigantesque représentant plusieurs millions de masses solaires.

Vus par les physiciens
Pour les physiciens, nous indique Lee Smolin, ils auront un autre intérêt, se comporter comme des microscopes d'un très grand pouvoir de résolution permettant de voir ce qui se passe aux échelles de Planck. Un microscope ordinaire ne permet pas de voir les objets plus petits que la longueur d'onde de la lumière utilisée. Mais les événements survenant à la limite de l'horizon d'un trou noir (avant d'être absorbés par lui et disparaître dans ses "parties cachées") sont agrandis du fait que la lumière qui nous en parvient voit sa longueur d'onde étirée par la proximité du trou noir.

Domaines de présence Up Page
Comment ça fonctionne ?

Les corps massifs déforment l'espace-temps ; et plus un corps est massif, plus il le déforme. Prenons une image couramment employée : supposons qu'on tende un drap, et qu'on pose dessus une boule de pétanque. Cette boule va déformer, creuser le drap autour d'elle.

C'est grâce à ces déformations de l'espace-temps que les corps massifs s'attirent. Imaginons maintenant une seconde boule moins massive (cochonnet par exemple) qui se déplace en direction de la première masse.

Si sa vitesse n'est pas suffisante, le cochonnet va se déplacer "en orbite" autour de la boule de pétanque. Si maintentant la cochonnet possède une vitesse suffisante, celui-ci va subir une déviation, mais continuera sa route.

Toutefois, si nous imaginons le cas d'une boule de plomb extrêmement lourde, et une bille de polystyrène, même en la lançant très fort, on ne pourrait pas l'empêcher de tomber dans le trou. C'est le principe d'un trou noir.

Selon les astrophysiciens Up Page
Lois cosmologiques
Deux lois "simples" nous sont présentées, suite aux travaux de jeunes physiciens disciples de Wheeler, considéré comme l'inventeur du concept de trou noir: celle de Unruh "des observateurs en accélération constatent qu'ils sont entourés d'un nuage de photons chauds dont la température est proportionnelle à l'accélération" et celle de Bekenstein "à chaque horizon qui sépare un observateur d'une région qui lui demeure cachée, on peut associer une entropie qui mesure la quantité d'information cachée derrière l'horizon. Cette entropie est toujours proportionnelle à la surface de l'horizon". Ceci est intéressant dans la mesure où les trous noirs sont présentés comme des puits d'information, dont on pourra se demander ce qu'elle devient, une fois de l'autre côté de l'horizon du trou noir.

Rayonnement infrarouge
Alors qu'ils observaient le centre de notre galaxie, une équipe d'astrophysiciens avait surpris, en mai 2003, de violentes bouffées de lumière infrarouge au voisinage du trou noir géant qui l'occupe. Selon l'analyse que viennent d'achever des scientifiques allemands et français, dirigés par Reinhard Genzel, de l'institut Max Planck de Garching, il s'agirait des derniers signaux envoyés par un nuage de gaz. En effet, en théorie, toute matière attirée par un trou noir accélère, s'échauffe et, ce faisant, émet un rayonnement infrarouge.
Cette observation, historique, est donc la toute première confirmation de ce processus. "L'ère de l'observation de la physique des trous noirs a commencé !", s'enthousiasme Reinhard Genzel. D'après les données recueillies grâce à l'optique "adaptive" de conception française du VLT, le grand télescope européen installé au Chili, le nuage de matière repéré se trouvait à seulement 75 secondes-lumière du monstre galactique, c'est-à-dire au bord de l'horizon du trou noir, la fameuse limite au-delà de laquelle plus rien ne peut échapper à son emprise. Les signaux infrarouges présentaient une périodicité de dix-sept minutes environ, ce qui devrait correspondre à peu près à la période d'un tour du trou noir sur lui-même. Si cette hypothèse était vérifiée, alors les astrophysiciens auront mesuré pour la première fois cette rotation.

Les références Up Page
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BE Etats-Unis articles 41383.htm & 42290.htm
BE Inde
BE Pologne article 55008.htm
Ecole Normale Supérieure de Lyon
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Science & Vie janvier 2004 n°1036
Trous noirs et distorsions du temps Kip S. Thorne
Univers: Dieu ou Hasard Michael Talbot

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Mais encore Up Page
Définitions générales
Notion
Un trou noir est un corps céleste si dense que son champ de gravitation empêche la matière et la lumière de s'en échapper comme elles peuvent le faire d'une étoile telle que le Soleil.

Les astronomes appellent cet inimaginable objet une singularité. Et rien ne peut s'échapper d'une singularité, pas même les photons de lumière, d'où le qualificatif de noir ajouté à ce trou.

Descriptions
Les descriptions des événements vécus par un observateur s'approchant d'un trou noir sont fondées sur les prédictions de la relativité générale dans le domaine de la "gravité forte", où elle n'a jamais été vérifiée.

Spéculations
Ceux qui s'aventurent au-delà et s'intéressent à l'intérieur de ce qu'on appelle l'horizon du trou noir, font appel à une certaine forme d'audace, pour ne pas dire de bravoure, dont Kip Thorne et ses associés de tous les pays ne manquent pas, et qu'ils partagent avec le plus grand plaisir.

Dénombrement
Dans notre seule galaxie, il y en a peut-être des millions, mais leur obscurité les cache à notre vue et les astronomes ont les plus grandes difficulté à les trouver.

Ils sont indétectables par eux-mêmes, mais ils émettent, croit-on, de formidables quantités de rayons X. Dans leur voisinage, les champs gravitationnels sont si intenses que de grandes quantités de poussière et de gaz y sont capturés, orbitant à des vitesses folles. La friction entre ces particules est si intense que la température atteint des millions de degrés, ce qui dégage des rayons X.

Trois types de trous noirs Up Page

Il existe trois types de trous noirs: ceux de taille moyenne (proche de la masse du Soleil), les trous noirs stellaires et les supermassifs.

Des trous noirs aussi massifs que précoces
Un milliard d’années seulement après le Big Bang, des trous noirs massifs s’étaient déjà formés dans l’univers. Si les astrophysiciens supposaient que ces géants étaient apparus assez tôt dans l’histoire de l’univers, l’observation de deux trous noirs situés à plus de 12 milliards d’années lumière repousse encore la limite chronologique. L’équipe de Daniel Schwartz (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) a détecté grâce à l’observatoire spatial Chandra de la NASA un trou noir dont la masse équivaudrait à un milliard de fois celle du Soleil, éloigné de 12,7 milliards d’années lumière -ce qui signifie que sa lumière a mis tout ce temps pour parvenir jusqu’au voisinage de la Terre. L’âge de l’univers étant estimé entre 13 et 14 milliards d’années, ce trou noir nommé SDSSp J1306 aurait existé environ un milliard d’années après la naissance de l’univers. Ces résultats, publiés en novembre dans l’Astrophysical Journal, suivent de peu ceux d’une autre équipe publiés en août dans la même revue. Duncan Farrah et ses collègues ont détecté un trou noir situé à 12,8 milliards d’années lumière. Ces chercheurs ont étudié SDSSp J1030 grâce à un autre télescope détectant les rayons X, XMM-Newton de l’Agence spatiale européenne. Ces télescopes n’observent pas le trou noir en lui-même, par nature invisible puisqu’il absorbe tout, même la lumière. En revanche, via les rayons X, ils repèrent la chaleur dégagée par des gaz fatalement attirés par la gueule du glouton. Ces gaz forment un disque qui tourne autour du trou noir et dans la partie interne de ce disque les températures peuvent atteindre des milliards de degrés. Comment de tels trous noirs ont-ils pu se former si tôt dans l’univers ? Aucun modèle ne permet aujourd’hui de l’expliquer de façon certaine.

Localisation
Roeland Van Der Marel, du Space Telescope Science Institute, à Baltimore, a détecté un trou noir dont la masse fait 4 000 fois celle du Soleil. Celui-ci se trouve dans le centre de l'amas globulaire M15, à 32 000 années-lumière de la Terre, dans la constellation Pégase. Michael Rich, de l'Université de Californie à Los Angeles, en a repéré un autre plus important, dont la masse équivaut à 20 000 fois celle du Soleil. Ce trou noir se situe dans l'amas globulaire M31G1, à 2,2 millions d'années-lumière de la Terre, dans la galaxie Andromède.

Deux trous noirs dans une galaxie
La galaxie en question s'appelle NGC 6240 et se trouve à environ 400 millions d'années-lumière de la Terre. Elle héberge en son sein deux trous noirs actifs (distants de 3000 années-lumière l'un de l'autre) qui orbitent l'un autour de l'autre et qui absorbent toute la matière environnante. D'ordinaire, une galaxie possède un trou noir en son centre. Pas deux. Mais NGC 6240 résulte de la fusion entre deux galaxies.
Les astronomes affirment que la réunion des deux donnera naissance à un trou noir plus massif encore. Ce dernier dégagera des radiations et ondes gravitationnelles qui se propageront dans l'Univers.
La présence d'un duo de trous noirs dans une galaxie confirme la théorie suivante: les trous noirs peuvent grandir et atteindre des masses disproportionnées dans le centre des galaxies, en fusionnant avec d'autres trous noirs.

Trous noirs et quasars
Une nouvelle étude menée sur l'origine de notre Univers a permis de créer une carte confirmant la relation étroite existant entre les galaxies possédant des trous noirs super massifs en leurs centres, et la distribution de matière noire. Aucun de ces deux éléments particuliers n'est observable dans le spectre visible mais les quasars qui sont des objets très lumineux se trouvant au cœur des galaxies et se nourrissant du gaz absorbe par les trous noirs le sont.
La nouvelle carte a été créée grâce à la SDSS-II (Sloan Digital Sky Survey) et comprend plus de 4000 quasars dont les plus lointains se trouvent à 11 milliards d'années-lumière de la Terre. Elle met également en relation la présence de quasars au sein d'une galaxie et les espaces présentant une forte concentration de matière noire, confirmant ainsi les différentes théories sur le sujet.

Paradoxe des trous noirs
Le paradoxe de l'information des trous noirs fait référence à la radiation émise par les trous noirs. Cette radiation, dont l'existence a été proposée par Hawking en 1963, serait la réemission de la matière absorbée par le trou noir. Toutefois, cette radiation ne contient aucune information, alors que la matière absorbée en contenait une, sous forme quantique.
Les lois de la physique interdisent que l'information quantique ne soit pas conservée, donc en l'absence de détection de toute information dans la radiation, on se trouve en présence d'un paradoxe.

Trou noir dans la constellation du Bouvier
Le 19 mars 2008 à 7h12 du matin, au-dessus de nos têtes, au niveau de la constellation du Bouvier, une explosion lumineuse, repérable à l'œil nu, se produit. Une fantastique libération d'énergie, appelée sursaut gamma, dont le rayonnement a parcouru 7.5 milliards d'années-lumiere avant de briller dans notre ciel.