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 elle-
même 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