Dossier trous noir

Les trous noirs
Par :
Pauline CROSETTI
Valentin TROUILLEZ
Santiago IBANEZ
Thème : Avancés scientifiques et réalisations
techniques.
Problématique : Comment et pourquoi les
trous noirs déforment-ils l'espace autour
d'eux et comment les détecter ?
Année scolaire : 2011/1012
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INTRODUCTION
L’histoire de l'Univers :
« Au début , il n’y avait ''rien'' » (Citation du Sciences & vie n°1111, avril 2010,
page 55). Durant des centaines de milliers de siècles , l’aube du monde s’étirait
dans un ciel uniformément , une obscurité sidérale d’une inimaginable profondeur
, sans planète , étoile ou nébuleuse , ni le moindre témoins de ce néant . Pourtant
quelques millions de siècles plus tard , l’Univers se retrouve peuplé de 100 000
milliards de milliards de mondes.
L'univers existe depuis 15 milliards d'années. Un centième de seconde après le
big-bang apparaissaient les particules atomiques, protons, neutrons, et électrons.
Les noyaux de deutérium (assemblage de 1 proton, 1 neutron et 1 électron) se
sont formés au bout de 1 seconde. Les noyaux d'hélium (2 protons, 2 neutrons)
au bout de un quart d'heure. Puis la création va ralentir son rythme...
Les atomes les plus légers se sont formés 300.000 ans plus tard: atomes
d'hydrogène (1 proton et 1 électron) et atomes d'hélium (2 proton, 2 neutrons,
2 électrons). Les nuages froids d'hydrogène et d'hélium se forment au bout de 1
million d'années.
Sous l'action de la gravitation, ces nuages se condensent et donnent naissance
aux premières galaxies dans lesquelles naissent les premières proto-étoiles.
Nous sommes alors 100 millions d'années après le Big-Bang.
Les étoiles et les planètes telles que nous les connaissons se sont formées au
bout de 5 milliards d'années. Quant à la planète Terre, elle existe depuis 4,6
milliards d'années, soit plus de 10 milliards d'années après le Big-Bang
Quelques dates clefs dans l'histoire du trou noir :
En 1783 l'anglais John Mitchell envisage l'existence d'un astre si massif qu'il
interdit toute lumière de s'en échapper , ce qui le rend invisible.
En 1915 , Karl Schwarzchild définit l'horizon d'un astre massif en deçà duquel il
est impossible pour tout objet ou rayonnement de s'échapper. Le 29 décembre
1967, lors de la conférence à New York, le terme de « trou noir » (Balck Hole)
est employé pour la première fois par l'astronome américain John Wheeler.
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II : La formation des trous noirs :
Définition des trous noirs :
Région de l'Univers en effondrement gravitationnel irréversible, dont le champ
de gravitation est si intense que rien, pas même la lumière, n'en peut sortir.
Cette région a une limite sphérique appelée horizon, ou surface du trou noir , que
la lumière peut traverser sans pouvoir en sortir. Ainsi, cette région apparaît
noire. Un tel champ peut être créé par un corps de haute densité et de masse
relativement petite, égale ou inférieure à celle du Soleil , comprimée dans un
volume très petit , ou bien par un corps de faible densité et de masse très
importante.
Formation d’un trou noir
Un trou noir se forme à partir d'une étoile lorsque celle-ci , à la fin de sa vie
devient une supernova. Soit quand sa pression de dégénérescence, qui se fait
d'ordinaire très lentement, ne peut plus équilibrer la force gravitationnelle
augmentant proportionnellement la masse du noyau. Ce dernier passe alors d'une
dizaine de milliers de degrés à plus de 800 millions de degrés. Sa température
augmente plus de 80 000 fois. Quand le noyau est vidé de son énergie, la
gravitation ne rencontre plus d'obstacles. Le noyau recommence alors à se
comprimer, écraser par son propre poids. Sa force de gravité devient si forte
que l’étoile ne s'arrêtera pas au stade d'une étoile à neutrons.
Ainsi l'étoile ne peut s'effondrer que sur elle-même, plus aucune pression ne
peut enrayer cette chute catastrophique. Toute la masse du noyau de la
supernova se trouve concentrée dans le point central où la densité devient
infinie. Un trou noir est né.
La bouée filandreuse, que l'on peut observer, tournant autour du trou noir est
les restez gazeux de la supernova. Cette matière finira par être aspirer dans le
trou noir. Et lors de la naissance d'un trou noir laisse échapper le long de l'axe
de rotation du trou noir deux faisceaux bourrés d'énergie : ce sont les sursauts
gamma.
De la matière, peut-elle s’échapper d’un trou noir ?
Les astronomes savent que le centre d'un trou noir est un point - qu'ils appellent
une 'singularité' - où les lois de la physique telle que nous la connaissons n'ont
plus cours : même l'espace et le temps y sont totalement déformés. Ce centre
est entouré d'un disque où la matière et la lumière tourbillonnent en attendant
d'être précipitée dans la 'singularité'. La frontière de ce disque marque la limite
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entre le trou noir et l'extérieur ; c'est une zone de 'non-retour' appelée aussi
'horizon des événements’. Aussi, tout objet entrant dans le cercle de centre la
singularité du trou noir et déterminé par le rayon de Schwarzschild ne pourra
s'en échapper s'il n'atteint pas une vitesse de libération suffisante et finir
aspirer.
La vitesse de libération :
Vlib : vitesse de libération en m.s-1
𝑉𝑙𝑖𝑏
Corps
Mercure
M : masse de l’objet en kg
2𝐺𝑀
>√
𝑅
Masse (1024kg)
R : rayon de l’objet en mètre
G : constante de gravitation
6,6742×10-11 m3·kg-1·s-2
Rayon (km)
Vitesse de libération (km.s-1)
0.33
2440
4.2
Venus
4.9
6050
10.40
Terre
6
6400
11.2
Lune
0.074
1740
2.4
Mars
0.65
3400
5.05
Jupiter
1900
71400
59.6
Saturne
570
60000
35.5
Uranus
87
25560
21.3
Neptune
105
24800
23.8
2.106
7.105
617
Soleil
Le rayon de Schwarzschild qui tient son nom de Karl Siegmund Schwarzchild
(1873-1916), un astrophysicien allemand. Il est le premier à avoir défini les lois
d'interaction entre les champs magnétiques et la lumière, et à avoir décrit les
phénomènes de courbure des rayons lumineux au voisinage de points
gravitationnels, contribuant ainsi à fonder la théorie du trou noir (cf. Rayon de
Schwarzchild).
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2𝐺𝑀
𝑀
𝑅𝑠 = 2 ≈
× 2950𝑚è𝑡𝑟𝑒𝑠
𝑐
𝑀𝑜
Rs : rayon de Schwarzachild
M : masse du trou noir en kg
Mo : masse du soleil en kg
G : constante de gravitation = 6,6742×10-11 m3·kg-1·s-2
C : vitesse de la lumière = 3.108
La vitesse de la libération pour que la matière puisse s’échapper depuis ce point
central est infinie. Mais le temps se ralentit dans un trou noir. Il faudrait qu'une
particule située en ce point central voit sa vitesse dépasser celle de la lumière,
soit plus de 3,0.10^8 m.s-1 pour qu'elle puisse quitter ce trou, ce qui est jugé
impossible : rien ne peut s'échapper d'un trou noir, pas même la lumière, d'où
cette nomination. Le problème de l'évasion d'une particule d'un trou noir ne se
pose pas puisque finalement, dans un trou noir, il n'y a rien: les particules étant
réduites à un diamètre nul (elles s'effondrent sur elles-mêmes en atteignant le
point central).
N'importe quel objet pourrait devenir un trou noir si il est suffisamment
comprimé en dessous d'une certaine taille pour que la gravité devienne si forte
qu'elle empêche la lumière de sortir.
Qui a-t-il au fond d’un trou noir ?
Longtemps, les astronomes se sont demandés que pouvait y avoir au fond d’un
trou noir ? La façon la plus simple de le savoir et d’aller vérifier par soi-même.
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Néanmoins, comme rien ne peut s’échapper d’un trou noir, aucun signal ou onde
radio de la part de l’explorateur ne pourrait en informer la station restée à
l’écart. Du coup, ils se sont basés sur des hypothèses.
Il existe en existe deux :
- le fond serait bouché et la matière comprimée s'entasse indéfiniment au fond.
Cette hypothèse ne plaît pas aux physiciens.
- le fond du trou noir serait connecté à une autre région de l'univers par une
sorte de déformation étrange de l'espace et du temps, une sorte de tunnel
appelé trou de ver.
Quels sont les différents types de trous noirs ?
Trous noirs stellaires
Les trous noirs stellaires ont une masse de quelques masses solaires. Ils naissent
à la suite de l'effondrement gravitationnel du résidu des étoiles massives
(environ dix masses solaires et plus, initialement). En effet, lorsque la
combustion par les réactions thermonucléaires(= réactions de fusion nucléaire(=
assemblage de 2 noyaux atomiques en un noyau lourd)) dans le cœur de l'étoile
massive se termine, faute de carburant, une supernova se produit. Cette
dernière peut laisser derrière elle un cœur qui continue à s'effondrer
rapidement.
Masse: entre 3 et 100 masses solaires
Taille: un trou noir de x masses fera 6x kilomètres
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Trous noirs super massifs
Les trous noirs super massifs ont une masse comprise entre quelques millions et
quelques milliards de masses solaires. Ils se trouvent au centre des galaxies et
leur présence provoque parfois l'apparition de jets et du rayonnement X. Les
trous noirs des galaxies, qui sont ainsi plus lumineux qu'une simple superposition
d'étoiles, sont alors appelés noyaux actifs de galaxie.
Masse: environ 103 à 1012 (et plus) masses solaires
Taille: 109 à 1012 tailles solaires
Trous noirs intermédiaires
Les trous noirs intermédiaires sont des objets récemment découverts et ont une
masse entre 100 et 10 000 masses solaires. Dans les années 1970, les trous noirs
de masse intermédiaire étaient supposés se former dan le cœur des amas
globulaires(=amas stellaires très dense), mais aucune observation ne venait
soutenir cette hypothèse.
Trous noirs primordiaux
Les trous noirs primordiaux, aussi appelés “micro trous noirs” ou “trous noirs
quantiques”, auraient une taille très petite. Ils se seraient formés durant le Big
Bang (d'où l'appellation “trou noir primordial”), suite à l'effondrement
gravitationnel de petites surdensités dans l'univers primordial. Ils auraient la
taille d'une particule.
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III :La détection des trous noirs :
Les trous noirs sont très difficilement détectables, vu qu’ils sont par définition
invisibles, on les repère surtout grâce à leurs effets sur l’environnement. Ainsi,
les trous noirs sont relativement simples à détecter lorsqu’ils sont accompagnés
d’une étoile «normale», visible de la terre. On parle de système binaire lors de
l’étude qui va suivre, on utilisera le modèle du trou noir de Kerr, c’est-à-dire en
rotation
Trou noir dans un système binaire
En raison du champ gravitationnel qu’il crée à son entourage, le trou noir peut
disposer d’une étoile comme satellite, et nous ne pouvons voir que cette dernière.
Or dans un système binaire, les deux astres tournent l’un autour de l’autre, et
lorsque l’on mesure le spectre infrarouge de l’étoile, on s’aperçoit que celui ci
varie périodiquement.
L’étoile va tourner autour du trou noir de manière périodique et son spectre (et
donc sa couleur) va, d’après « l’effet Redshift » (appelé aussi décalage vers le
rouge, c’est un phénomène astronomique de décalage vers les grandes longueurs
d’ondes des raies spectrales et de l’ensemble du spectre, ce qui se traduit pas un
décalage vers le rouge pour le spectre visible observé parmi les objets
astronomiques lointains), osciller du bleu au rouge pour nous qui l’observons.
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Détection du gaz environnant
Les trous noirs ne peuvent pas être détectés quand ils sont nus, mais ils sont
entourés de matière, de gaz qui, quand il tombe, est fortement chauffé,
comprimé, et donc il émet des rayonnements. Les trous noirs se détectent
indirectement grâce au mouvement des étoiles, car ils entraînent une
accélération des étoiles sur leur orbite. Plus la matière est dense, plus l’espace
est déformé et donc la matière est attirée.
Lumière : les photons au repos n’ont pas de masse, seulement dans l’espace ils
sont toujours en mouvement, ils ont de l’énergie, qui celle-ci , est donnée par la
célèbre relation d’Einstein :
E = énergie en Joules
𝑬 = 𝒎. 𝒄²
m = masse de l’objet en Kg
c = vitesse de la lumière(3,00.108 m.s-1)
Rayonnements X
On détecte le disque d’accrétion, constitué de résidus et de matières stellaires
en grande partie, grâce à sa perte d’énergie. En effet, les différents
constituants du disque entourant le trou noir vont obligatoirement devoir
s’entrechoquer dans leur course vers l’horizon. Lors de ces collisions (qui
seraient maximales vers 200-250 kilomètres du rayon de Schwarzchild), un
transfert d’énergie s’opère, les particules diverses perdent de l’énergie au profit
du milieu, tout en décrivant une trajectoire de plus en plus spiralée.
Cette perte d’énergie gravitationnelle de l’ensemble du disque d’accrétion est
convertie, pour une très large portée, en transfert thermique. Ce phénomène est
amplifié par la compression de plus en plus forte s’exerçant sur la matière, à
mesure qu’elle se rapproche du trou. Tout ceci provoque des rayonnements X
intenses, qui peuvent se détecter par les télescopes et satellites modernes
(télescope américain Chaudra).
Ejection de matière
Au moment de la formation du trou noir, la matière qui composait l’étoile est
émise un peu dans toutes les directions sous forme de couches de gaz. Elle suit
les lignes de champ magnétique. La plus grande des parties de ces gaz forme
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comme une bouée autour du trou noir, la petite fraction de matière qui est
éjecté selon l’axe de rotation du trou noir va, elle, se constituer de rayons
gamma.
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IV : Déformation de l’espace temps par un trou noir.
Comment un trou noir modifie t-il et déforme t-il l'espace-temps ? Telle est la
problématique à laquelle nous allons tenter de répondre dans cette partie de
TPE.
1)Très forte déformation
Il convient d'étudier les déformations que provoquent le trou noir et par
conséquence sa masse, sur le repère défini par Einstein, ainsi que les
conséquences de ces déformations sur la matière et également sur la lumière.
Un trou noir est tellement dense que même la lumière ne s'en échappe. On ne
peut donc pas voir les trous noirs.
Les trous noirs ont la plus forte distorsion de l’univers.
Pour faire une comparaison, pour que la Terre soit un trou noir, il faudrait qu'elle
soit comprimée pour ne faire que 8mm de diamètre.
2)Théorie de la relativité générale
En 1915, Einstein établit sa théorie de la relativité qui décrit la gravitation
comme une courbure de l'univers. Cet Univers est représenté par l'espacetemps. Ainsi, tous les corps présents dans cet Univers courbent cet espacetemps et influent sur les autres corps célestes. Plus le corps céleste est massif,
et plus celui-ci courbe l'espace-temps. Un trou noir correspond à une zone de
l'espace déformée par une masse énorme concentrée sur une toute petite
surface. Cette concentration entraîne une déformation de l'espace en forme de
puits, un peu comme quand on se tient en équilibre sur un pied sur un matelas à
ressorts. Mais la pente est beaucoup plus verticale dans le cas du trou noir.
En fait, l'espace-temps est un espace qui possède 4 dimensions: 3 d'espace et
une de temps. La gravitation est comme une accélération dans l'espace-temps.
A cause de cette forte gravitation on dit qu'un trou noir est un corps en
perpétuel effondrement.
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L'espace-temps est si courbé qu'il existe une zone où il est déchiré, où la
gravitation est considérée comme infinie.
Illustration de la déformation de l'espace-temps par un trou noir: un "puits
vertigineux"
En effet, selon le théorie de la Relativité Générale, toute masse courbe l'espacetemps de sorte que tout objet dont le mouvement est uniquement causé par sa
gravité soit en chute libre. Ainsi dans le cas du trou noir, un objet atteindra la
vitesse de le lumière en arrivant au niveau de son horizon. Cela signifie que la
courbure de l'espace-temps devient infinie à partir de ce point. En conséquence,
le temps doit théoriquement se stopper au niveau de cet horizon par rapport à un
observateur externe à cet horizon.
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V : Conclusion :
En résumé, nous avons appris que le trou noir, c'est-à-dire, Région de l'Univers
en effondrement gravitationnel irréversible, dont le champ de gravitation est si
intense que rien, pas même la lumière, n'en peut sortir, se forme à partir d'une
étoile lorsque celle-ci, qui est à la fin de sa vie, devient une supernova.
Nous avons vu que de la matière pouvait s'échapper d'un trou noir que si cet
objet entrant dans le cercle du trou noir déterminé par le rayon de
Schwarzschild atteint une vitesse de libération suffisante.
Mais pour que cela arrive, il faudrait que l'objet est une vitesse supérieure à la
vitesse de la lumière ce qui est jugé impossible : rien ne peut s'échapper d'un
trou noir, pas même la lumière.
Nous avons également vu les deux hypothèses possibles pour le fond du trou noir.
Et, les quatre grandes sortes de trous noirs existant : les trous noirs stellaires,
les trous noirs super massifs, les trous noirs intermédiaires et les trous noirs
primordiaux.
Dans la deuxième partie, nous avons vu que les trous noirs sont par définition
invisible et donc difficilement détectable. Nous avons vu également ce qu’était
l’effet Redshift.
On peut également détecter les trous noirs grâce à leurs gaz environnant.
La détection des trous noirs se fait aussi avec les rayonnements X intenses, qui
peuvent se détecter par les télescopes et satellites modernes.
Et pour finir cette troisième partie, nous avons vu ce qu’était l’éjection de
matière.
Dans la troisième partie, nous avons comment les trous noirs déforment l’espacetemps. Nous avons parlé de la théorie de la relativité générale. C’est le fait qu’il y
ait une sorte de « toile d’araignée » où il y a tous les astres de l’univers. Cette
« toile » se courberait en fonction de la masse des astres. Cela implique que les
objets les plus légers sont attirés par les objets les plus lourds, comme les trous
noirs.
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