L`énigme des trous noirs

Mireille Guyonnet
Exposé sur les trous noirs de février 2003
L’ENIGME DES
TROUS NOIRS
THEORIE DE LA GRAVITATION UNIVERSELLE
En 1686, Newton réunit en une seule équation le mouvement d’une planète dans le
ciel et la chute d’une pomme sur la Terre.
N1 : La cause du mouvement d’un corps est une force.
F = m.a
Force = masse x accélération
N2 : Toute particule exerce sur toute autre particule une force dite
gravitationnelle qui est proportionnelle aux masses des particules
et inversement proportionnelle au carré de la distance. Cette force
mutuelle est attractive et dirigée selon la ligne qui joint les deux
particules.
L’attraction gravitationnelle exercée par un corps sphérique sur un autre corps
sphérique est exactement la même que si l’on remplace chaque corps par un objet
ponctuel, situé en son centre, et de masse égale à la somme des masses de toutes
les particules du corps.
NAISSANCE DE L’IDEE DE TROU NOIR
L’idée de trou noir est née, il y a deux siècles, de l’intuition de deux astronomes :
Le Français Pierre Simon de Laplace
L’Anglais John Michell
Ils travaillaient sur la théorie de la gravitation universelle de Newton.
En creusant le concept de « vitesse de libération* », ils se sont demandés ce qu’il
se passerait si, à la surface d’un astre extrêmement dense et massif, la vitesse de
libération dépassait la vitesse de la lumière. Ils réalisèrent alors que la lumière ellemême à sa vitesse de 300 000 Km/s ne pourrait s’échapper de tels astres et que,
s’ils existaient, ils seraient donc parfaitement obscurs et invisibles, l’idée de trous
noirs était née.
*Vitesse de libération : La vitesse de libération à la surface d’un astre est la vitesse
qu’il faut atteindre pour se délivrer de son champ d’attraction.
Sur Terre, elle est de 11,2 Km/s
Sur le Soleil, de 600 Km/s
Pour les étoiles géantes, il faut des milliers de Km/s
CHRONOLOGIE
1916 : D’après la théorie de la « relativité générale *» d’Albert Einstein, les astres
doivent attirer tout ce qui passe à leur portée en courbant l’espace temps.
1967 : Le terme « Trou noir » est employé pour la première fois par John A Weelher.
1970 : Grâce aux observations du satellite Uhuru, une source de rayons X est
repérée dans la constellation du Cygne et serait le premier trou noir jamais détecté.
1979 : Peter Young et Wallace Sergent pensent avoir repéré un trou noir au centre
de la galaxie M87 qui serait trois milliards de fois plus massif que le Soleil.
1996 : Reinhart Genzel et son équipe pèsent le trou noir qui est au centre de notre
galaxie. Il pèse 2,5 millions de fois la masse du Soleil.
2001 : Le télescope spatial Chandra révèle la présence de nombreux trous noirs
super massifs et capte un rayonnement X au cœur de notre galaxie.
Octobre 2002 : Le télescope européen Intégral est mis en orbite et doit observer
notre univers dans le domaine des rayons gamma dans l’espoir d’élucider certains
mystères des trous noirs super massifs.
*Relativité générale : Il n’y a pas un espace séparé, un temps séparé car ils sont
liés entre eux. On parle donc d’espace-temps.
L’espace est déformé par la matière. En raison de sa masse très importante, une
étoile déforme l’espace-temps attirant vers elle toute matière. De la même manière la
lumière est déviée par la présence d’une étoile.
1905 : THEORIE DE LA RELATIVITE RESTREINTE
Avec cette théorie, Einstein remet en question le concept de temps : Jusque-là, le
temps était considéré comme un débit constant, maintenant il est intimement lié à la
matière, il peut ralentir jusqu’à s’arrêter.
La relativité restreinte* nous apprend que deux objets qui se déplacent l’un par
rapport à l’autre ont des temps différents. Elle est illustrée par le « paradoxe des
jumeaux » : dans une expérience imaginaire, un jumeau reste sur Terre tandis que
l’autre fait un voyage dans l’espace ; son vaisseau décolle puis atteint une vitesse
proche de celle de la lumière ( 300 000 Km/s) et voyage durant un an à cette allure, il
fait alors demi-tour et, en un an supplémentaire revient sur Terre ; le jumeau à donc
effectué un voyage aller-retour de deux ans. Qu’observe t’il en arrivant sur Terre ?
Que son frère et tout ce qui est resté sur Terre ont vieilli de 50 ans !
Un objet qui accélère à une vitesse proche de celle de la lumière voit sa masse
augmenter. Comme la matière ralentit le passage du temps, on pourrait aller vers le
futur.
1915 / 1916 : THEORIE DE LA RELATIVITE GENERALE
Le contenant : espace-temps est déformé par le contenu : matière-force.
Toute masse courbe l’espace telle une boule de billard posée sur un drap tendu.
Le coefficient qui relie la courbure à la densité de masse-énergie mesure l’élasticité
de l’espace-temps, il vaut à peine 0,000000000000000000000000002 cm/g, l’espace
est donc très rigide.
La courbure du temps est un fait observé et utilisé chaque jour dans le guidage des
avions…. Via le système de positionnement GPS.
La courbure autour d’un corps précipite alors vers lui les objets moins denses qui
l’entourent : c’est la gravitation. Une des conséquences de la relativité générale a été
la découverte des trous noirs.
Les ondes de déformation de l’espace-temps sont les ondes gravitationnelles.
Comme la déformation que crée une pierre à la surface de l’eau, elles se propagent
dans toutes les directions.
RELATIVITE : Ensemble des théories qui établissent l’équivalence entre la masse
et l’énergie et qui font dépendre la masse, la géométrie et le temps de la vitesse
(relative) de l’observateur ainsi que de l’intensité du champ gravitationnel.
QUAND LES TROUS NOIRS SE FORMENT-ILS ?
Les astronomes découvrirent tout d'abord qu’à la surface des étoiles à neutrons* la
vitesse de libération dépassait 200 000 Km/s donc n’était pas très loin de celle de la
lumière, critère proche de ceux de Michell et Laplace.
Rappel sur les résidus d’étoile : L’évolution d’une étoile dépend de sa masse
initiale. Les plus petites meurent en naines brunes, les moyennes comme notre
Soleil, en naines blanches ; les plus grosses, après avoir été des super géantes,
deviennent des étoiles à neutrons.
Ils ont ensuite calculé qu’il existait une masse limite dite limite Oppenheimer
Volkoff au-delà de laquelle les étoiles à neutrons ne peuvent plus supporter leur
propre masse. Cette limite est de 3 masses solaires, au-delà, elles s’effondrent sur
elles-mêmes en déformant l’espace –temps qui est tellement creusé par cette masse
que la « pente » est alors maximum et que le trou noir apparaît.
La masse d’une étoile à neutrons avoisine celle du Soleil alors que son diamètre
n’est que de 10 Km ! une cuillerée à soupe de sa matière pèse plusieurs milliards de
tonnes ! si la Terre était un trou noir, son diamètre serait de 8 mm.
DEFINITION D’UN TROU NOIR.
Un trou noir, c’est comme un puits dans l’espace-temps aux parois verticales d’une
profondeur vertigineuse et dont la lumière ne peut s’échapper. Il distord la lumière et
l’espace dans son voisinage.
L’horizon d’un trou noir est sa limite géométrique ; limite spatiale au–delà de
laquelle aucun objet ne peut échapper à son attraction gravitationnelle. Aucune
information ne peut nous parvenir de l’intérieur de cet horizon.
Composantes d’un trou noir
L’ergosphère :
Région voisine du trou noir où seul les objets se
déplaçant à la vitesse de la lumière peuvent encore s’échapper.
L’horizon :
Tout objet atteignant cette limite géométrique est
irrémédiablement aspiré.
La singularité
Le trou noir lui-même où toute les dimensions sont
infinies.
COMMENT PEUT-ON LES DETECTER ?
Bien que totalement obscurs, ils peuvent se signaler de diverses manières, parfois
de façon très spectaculaire dans le ciel. Jusqu’à aujourd’hui, nous n’avons que des
preuves indirectes de leur existence. Les indices qui les révèlent sont au nombre de
quatre.
L’accélération des étoiles qu’ils attirent
En suivant la trajectoire de six étoiles entre 1995 et 1999, Andréa Ghez
et John Kormendy ont confirmé l’existence du trou noir super massif au
centre de notre galaxie. Des étoiles attirées par le trou noir tournent
autour de lui à plus de 1500 Km/s et ne cessent d’accélérer.
Les fantastiques flashs de lumière émis par la matière en tombant
dans le trou noir et l’intensité des rayons X alors dégagés.
Dans la constellation du Cygne, on a remarqué le comportement
étrange de l’étoile HDE 226 868 super géante bleue autour de laquelle
tourne, invisible, un trou noir. Parfois ce couple étrange émet des
bouffées de rayons X extrêmement violentes : le compagnon de l’étoile
qui est un trou noir baptisé Cygnus X1 aspire l’atmosphère de sa
voisine et la matière accélérée et chauffée dans sa chute émet des
rayons X avant de disparaître.
On pense que beaucoup de trous noirs appartiennent à des couples
stellaires, vestiges d’anciennes étoiles super géantes qui tournent
autour d’étoiles en vie.
La vitesse énorme prise par les étoiles et le gaz à l’approche du trou
noir les échauffe, leur température atteignant plusieurs millions de
degrés, ils émettent alors de puissants rayonnements X qui ont été
observés par certains télescopes spatiaux.
Grâce au télescope Chandra, on a pu observer le 26 octobre 2000 au
centre de la voie lactée une forte source de rayons X qui est devenue
45 fois plus forte avant de retourner à la normale quelques heures plus
tard, le trou noir venait d’avaler une comète, des gaz ……Mais on est
encore loin de pouvoir localiser son horizon.
La spirale de gaz et de poussière tourbillonnant autour d’eux.
Le télescope Hubble a visualisé autour du centre de plusieurs galaxies
le mouvement tourbillonnant de grandes quantités de gaz et de
poussières.
Larges de plusieurs milliers d’années lumière, ils ont été observés en
infrarouge au cœur de quatre galaxies.
Le disque entourant les trous noirs super massifs est nommé disque
d’accrétion.
Il est constitué de gaz, de poussières, de matière arrachée à l’étoile
qu’il est en train d’avaler et qui s’engouffrent en spirale à l’intérieur.
La puissance des jets de plasma qui en émergent.
Observées en rayonnement radio, de nombreuses galaxies révèlent
deux immenses jets de plasma projetés à la vitesse de la lumière sur
des distances plus grandes que la galaxie elle-même.
Ainsi au centre de la galaxie M87 de la Vierge, un grand panache est
éjecté dans l’espace avec des jets de 6000 A.L.
Le télescope européen « Intégral » qui a décollé le 17 octobre 2002 a
pour mission d’étudier ces mystérieux jets dont le mécanisme reste
flou.
On connaît à ce jour plusieurs trous noirs qui se signalent aux
astronomes de temps en temps mais la plupart sont indétectables.
PEUT-ON DETERMINERLA MASSE D’UN TROU NOIR ?
Les chercheurs ont réussi à déterminer la masse du trou noir logé au cœur de notre
galaxie. Le télescope Hubble et le grand télescope de l’ESO ont photographié le
centre de notre galaxie où est censé se trouver un trou noir super massif.
Ils ont suivi les mouvements de gaz et d’étoiles près du noyau et se sont aperçu,
grâce à l’effet Doppler* :qu’ils se déplaçaient à des vitesses de plusieurs milliers de
Km par seconde. Or leur vitesse est proportionnelle à la racine carrée de la masse
autour de laquelle ils tournent. Ils en déduisirent alors qu’il y avait dans un rayon tout
petit une masse équivalente à deux milliards de fois celle du soleil.
Effet Doppler : Pour étudier le mouvement d’une étoile, les astronomes ont recours
à l’effet Doppler : ils mesurent le décalage des raies émises par les étoiles et en
déduisent leur sens de déplacement et leur vitesse. Avec ce procédé, ils ont
découvert l’existence de trous noirs au centre d’une quarantaine de galaxies.
QUELLES SONT LES DIFFERENTES SORTES DE TROUS NOIRS ?
En théorie, il n’existe aucune limite à la taille et à la masse des trous noirs.
On a vu qu’ils se formaient dès que le rapport masse/taille courbe l’espace-temps
autour d’eux. A ce jour, on connaît que deux sortes de trous noirs : « les stellaires
et les galactiques ».
Les trous noirs stellaires sont la conséquence naturelle de l’évolution des étoiles
super géantes, qui en fin de vie, explosent violemment, brillant quelques jours
comme dix milliards de Soleils en devenant supernova. Leur cœur s’effondre sur luimême en quelques secondes, la matière se comprime à une vitesse fulgurante, les
atomes se disloquent, leurs protons et leurs électrons fusionnent, se fondent en une
sorte de fluide de neutrons très dense et, en une fraction de seconde, le trou noir
apparaît.
Ils peuvent aussi résulter de la fusion de deux étoiles d’un couple stellaire quand
leurs masses dépassent la limite Oppenheimer-Volkoff.
On estime que notre galaxie en contient environ dix millions. Leur masse peut
atteindre plusieurs dizaines de fois celle du Soleil alors que leur horizon ne s’étend
que sur quelques Kms.
Les trous noirs galactiques sont beaucoup plus impressionnants. On pense,
aujourd’hui, qu’ils occupent le centre de presque toutes les galaxies sauf, peut être,
des galaxies irrégulières qui n’ont pas de noyau.
Ils sont super massifs, leurs masses allant de un million à plusieurs milliards de fois
celle du Soleil.
On ne sait pas précisément comment ils se sont formés. On suppose qu’ils sont le
fruit de l’effondrement d’un amas d’étoiles ou bien, qu’ils ont grossi en avalant
toujours plus de matière et de gaz. Leur histoire est intimement liée à celle des
galaxies.
On a constaté que la masse du trou noir était proportionnelle à la masse du bulbe de
la galaxie. Les collisions galactiques sont à l’origine de trous noirs super massifs qui
se forment au moment où les noyaux de deux galaxies s’unissent.
Dans le cœur de Centaurus A, deux galaxies ont fusionné, créant un trou noir mille
fois plus massif que le nôtre.
Très récemment, ont été découverts des trous noirs intermédiaires au sein d’amas
globulaires situés autour de galaxies dont la voie lactée. Peut-être préexistaient-il à la
formation de ces amas ?
A l’heure actuelle, on soupçonne l’existence de trous noirs primordiaux qui, s’ils
existent, auraient été formés à l’époque du Big Bang. Leur taille serait inférieure à
celle d’un atome tandis que leur masse serait de plusieurs milliards de tonnes.
QU’Y-A-T’IL A L’INTERIEUR DES TROUS NOIRS ?
Cette question tarabuste les physiciens depuis plus d’un demi-siècle. En effet,
si l’on s’en tient aux équations de la relativité générale, la masse de matière
contenue dans l’horizon du trou noir doit s’effondrer en un point sans dimension, de
densité infinie !. Depuis vingt ans, les physiciens cherchent des solutions alternatives
à la relativité générale et face au défi posé par les trous noirs, ils ont élaboré de
nouvelles théories physiques ; l’une d’elles appelée théorie des cordes* assigne à
l’espace-temps une dimension minimale absolue : 10-35m que l’on appelle le mur de
Planck et qui évite les dimensions infinies assignées aux trous noirs par la théorie
d’Einstein.
Théorie des cordes : D’après cette théorie, les composants les plus fondamentaux
de la nature ne seraient pas des particules sans dimensions mais des cordes
probablement de dimension inférieure à 10-18m qui oscilleraient dans un espacetemps à 9 dimensions, voire plus.
COMMENT LES TROUS NOIRS EVOLUENT-ILS ?
On l’ignore encore. Un anglais, Hawking, a conjecturé que les trous noirs à la longue
verraient petit à petit leur masse diminuer puis dépasser la limite OppenheimerVolkoff ; alors, leur région d’espace-temps se déplierait brutalement et la matière
emprisonnée ressurgirait en un éclair d’énergie fulgurante. D’après ses calculs un
petit trou noir stellaire exigerait pour s’évaporer 10 66 ans !!
QU’Y A-T’IL DERRIERE LES TROUS NOIRS ?
Dans les années 80, on a évoqué l’hypothèse que les trous noirs constituaient des
portes vers d’autres univers ou vers d’autres régions de notre univers. D’un côté, des
sortes d’aspirateurs cosmiques, de l’autre, des fontaines blanches sources d’énergie.
On n’a encore rien trouvé dans le ciel qui ressemble à un trou blanc. Actuellement,
avec la théorie des cordes, on tend à penser qu’ils auraient un fond où, espacetemps, énergie et matière se fondent en un brouillard sans repères et sans mémoire.
PEUT-ON ESPERER AVOIR BIENTOT LA PREUVE DIRECTE DE
L’EXISTENCE DES TROUS NOIRS ?
Peut-être.
Jusqu’ici, les astrophysiciens, comme nous l’avons vu, n’ont observé que des indices
indirects de la présence des trous noirs dans l’univers or, pour être sûr que derrière
ces signes se cache bien un trou noir, il faudrait parvenir à capter directement les
vibrations que ces monstres produisent dans l’espace-temps. A Cascina, près de
Pise, deux équipes franco-italiennes finissent de mettre au point VIRGO un
interféromètre détecteur de trous noirs. Quand tout sera au point ils espèrent assister
à l’effondrement d’une étoile massive dans un trou noir ou, mieux, à la collision de
deux trous noirs ce qui remuerait l’espace-temps au point d’engendrer des ondes
gravitationnelles qui sont des vibrations dues à sa déformation.
Le principe de l’appareil est simple : quand une onde gravitationnelle passe à travers
ses deux immenses bras perpendiculaires (3Kms de longueur) elle les fait vibrer, l’un
s’allonge tandis que l’autre se contracte, et vice versa au rythme de l’onde. Il est
impossible de voir ce mouvement à l’œil nu car la mesure de la déformation sera
bien inférieure à la taille d’un atome bien que dans l’univers le choc de deux trous
noirs soit un événement tout à fait titanesque. Alors, pour mesurer ces minuscules
variations, les scientifiques vont envoyer un faisceau laser dans chaque bras puis
mesurer le temps mis par chacun d’eux pour revenir. S’ils se décalent légèrement à
tour de rôle, on aura peut-être la preuve des dernières minutes de la vie de deux
trous noirs avant qu’ils ne fusionnent pour en former un plus massif. Si la démarche
réussit, on pourra même dire, si on branche un micro à la sortie de l’interféromètre,
que l’on écoute les trous noirs car la fréquence des ondes gravitationnelles
correspondent à celle des ondes sonores.
Avec VIRGO, on utilise la technologie la plus poussée à l’heure actuelle.
Il sera délicat de piloter l’instrument et d’interpréter les résultats qui seront comparés
à ceux des deux frères jumeaux de VIRGO installés aux USA dans une réalisation
similaire « LIGO ».
D’ici deux à trois ans, on pourrait pour la première fois détecter ces ondes
gravitationnelles ce qui permettra d’affirmer l’existence des trous noirs et de
confirmer la théorie d’Einstein vieille de 90 ans. Un grand pas pour la science car
cela ouvrira la voie à une toute nouvelle astronomie. A suivre….
OU VA LA MATIERE QUI TOMBE DANS UN TROU NOIR ?
Elle se retrouve nécessairement quelque part sous sa forme originelle ou sous forme
d’énergie.
LES TROUS NOIRS SONT-ILS DES ROUAGES A REMONTER LE
TEMPS ?
On a supposé que le trou noir et son contraire la fontaine blanche formeraient ce
qu’on appelle un trou de ver c’est à dire un raccourci de l’espace comme l’est un
tunnel creusé par un ver dans une pomme.
Si on arrivait à créer un mini trou noir, il se désintègrerait en 10-42 s !
D’après les chercheurs, si deux trous noirs de 10 et 15 fois la masse du Soleil se
frôlaient à moins de 50 Km, l’énergie dégagée par leur fusion représenterait des
milliers de fois l’énergie émise par le Soleil durant les cinq derniers milliards
d’années !!
Le futur LHC du CERN permettra peut-être de découvrir une particule qui justifierait
la masse de toute les autres : le boson de Higgs car on suppose que les particules
n’acquerraient leur masse qu’en interagissant avec ce boson : plus son interaction
serait forte, plus la masse de la particule serait grande.
Un projet encore plus ambitieux est celui de la NASA et de l’ESA, il s’appellera LISA
et s’envolera dans l’espace dans quelques dizaines d’années ; pour détecter les
trous noirs super massifs, trois couples de satellites reliés par des faisceaux lasers
distants de cinq millions de kilomètres, seront mis en orbite.
POURRAIT-ON CREER DES TROUS NOIRS SUR TERRE ?
Le futur grand collisionneur à hadrons (LHC) du CERN sera mis en service vers
2005. Pourra-t-on y créer de micro trous noirs ? Ils nous apporteraient peut-être la
preuve de l’existence de dimensions cachées dans l’univers.
En effet, on suppose que la gravitation pourrait se propager dans de minuscules
dimensions supplémentaires. A toute petite échelle son intensité serait décuplée et
quelques micro grammes de matière portée à très haute énergie dans le LHC
suffiraient pour créer de minuscules trous noirs, qui, en s’évaporant, rejetteraient des
particules ( électrons, photons ) que les physiciens pourraient détecter et qui leur
donneraient de précieux renseignements sur d’éventuelles dimensions
supplémentaires.
Beaucoup d’énigmes restent à résoudre puisque à l’heure actuelle, on sait qu’il y a
dans l’univers non seulement de la matière visible, non seulement de la matière noire
non lumineuse, mais aussi une grande quantité « d’énergie noire » inconnue qui
représenterait 70% de l’énergie totale de l’univers ! et qui aurait pour effet d’accélérer
son expansion.
A suivre…… dans l’attente de futurs prix Nobel de physique
??????????? Et si notre univers était le résultat de l’explosion d’un trou noir formé
dans un autre univers ?
Selon certains scientifiques, le véritable « univers » est constitué d’une infinité
d’univers parallèles et totalement indépendants !
IIIIIIIIIIIIIIII
Les informations et les illustrations de cet exposé sont issues des livres et
revues :
• Entretiens sur la multitude du monde
• Science et vie
• Ciel et espace
• Pour la science
TROU NOIR XTE J1118+40
Vu par Chandra aux rayons X (5000 années_lumière)
La lumière, la matière ; les gaz brûlants tournent de plus en plus vite
autour du trou noir en se rapprochant et constituent le disque
d’accrétion.
NGC 7052
Au centre de la galaxie NGC 7052, Hubble a repéré un trou noir dont le
diamètre du disque de poussière mesure 3700 années-lumière.
La galaxie du compas a un noyau très actif ; ici, on le voit en train
d’émettre un intense rayonnement tout en attirant des gaz.
Dans la constellation du Sagittaire, au cœur de la voie lactée, se trouve
un trou noir super massif.
L’image est prise par le télescope Chandra aux rayons X.
La tache blanche du centre révèle le rayonnement émis par la matière
tombant à l’intérieur du trou noir.
Les jets de cette galaxie semblent avoir changé soudainement de
direction probablement à cause de la fusion du centre du trou noir avec
celui d’une autre galaxie.
Le noyau de la galaxie NGC 4261 abrite un trou noir dont le disque
d’accrétion mesure 800 années-lumière de diamètre.
VIRGO
Futur détecteur d’ondes gravitationnelles
Installé à Cascina près de Pise
1
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3
4
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6
Simulation de la collision de deux trous noirs dix fois plus massifs que
notre Soleil. Ils émettent de plus en plus d’ondes gravitationnelles
(couleurs vives).
CHANDRA,
Le télescope spatial lancé en 1999, observe l’univers en
recueillant les rayons X. Sa mission prendra fin en 2009.
INTEGRAL
C’est le seul satellite gamma actif lancé en octobre 2000 pour détecter
les trous noirs. Il détecte les rayonnements gamma produits lors de la
fusion de deux trous noirs et qui, freinés par l’atmosphère, ne
parviennent heureusement pas au sol car ils sont mortels pour les
organismes vivants.
LISA
Le futur chasseur spatial de trous noirs.
Trois couples de satellites distants de 5 millions de Kms et reliés entre
eux par des lasers.
Accélérateur de particules du CERN