Dossier trous noir

1
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

2
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.

3
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

4
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 :
ܸ
௟௜௕
>
ඨ
2
ܩܯ
ܴ
V
lib :
vitesse de libération
en m.s
-
1
M : masse de l’objet en kg
R : rayon de l’objet en mètre
G : constante de gravitation
6,6742×10
-11
m
3
·kg
-1
·s
-2
Corps
Masse (10
24
kg)
Rayon (km)
Vitesse de libération (km.s
-
1
)
Mercure
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
Soleil
2.10
6
7.10
5
617
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).

5
ܴݏ=2ܩܯ
ܿ
ଶ
≈ܯ
ܯ݋×2950݉èݐݎ݁ݏ
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
m
3
·kg
-1
·s
-2
C : vitesse de la lumière = 3.10
8
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.