Les Trous noirs

En astrophysique, un trou noir est un objet céleste si compact que l'intensité de son champ gravitationnel empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper. De tels objets ne peuvent ni émettre, ni réfléchir la lumière et sont donc noirs, ce qui en astronomie revient à dire qu'ils sont invisibles. Toutefois, plusieurs techniques d’observation indirecte dans différentes longueurs d'ondes ont été mises au point et permettent d’étudier les phénomènes qu’ils induisent. En particulier, la matière happée par un trou noir est chauffée à des températures considérables avant d’être « engloutie » et émet une quantité importante de rayons X. Envisagée dès le xviiie siècle, dans le cadre de la mécanique classique, leur existence — prédite par la relativité générale — est une certitude pour la quasi-totalité de la communauté scientifique concernée (astrophysicienset physiciens théoriciens).

Dans le cadre de la relativité générale, un trou noir est défini comme une singularité gravitationnelle occultée par un horizon absolu appelé horizon des événements. Selon laphysique quantique, un trou noir est susceptible de s'évaporer par l'émission d'un rayonnement de corps noir appelé rayonnement de Hawking.

Un trou noir ne doit pas être confondu avec un trou blanc ni avec un trou de ver.;

Trou noirImage simulée d’un trou noir stellaire situé à quelques dizaines de kilomètres d’un observateur (à 9 fois le rayon du trou noir) et dont l’image se dessine sur la voûte céleste dans la direction du Grand Nuage de Magellan. L’image de celui-ci apparaît dédoublée sous la forme de deux arcs de cercle, en raison de l’effet de lentille gravitationnelle fort. La Voie lactée qui apparaît en haut de l’image est également fortement distordue, au point que certaines constellations sont difficiles à reconnaître, comme la Croix du Sud (au niveau de l’étoile orange lumineuse,Gacrux, en haut à gauche de l’image) dont la forme de croix caractéristique est méconnaissable. Une étoile relativement peu lumineuse (HD 49359, magnitude apparentede 7,5) est située presque exactement derrière le trou noir. Elle apparaît ainsi sous la forme d’une image double, dont la luminosité apparente est extraordinairement amplifiée, d’un facteur d’environ 4 500, pour atteindre une magnitude apparente de -1,7. Les deux images de cette étoile, ainsi que les deux images du Grand Nuage sont situées sur une zone circulaire entourant le trou noir, appeléeanneau d'Einstein.

Propriétés

Un trou noir est un objet astrophysique comme un autre. Il se caractérise par le fait qu’il est très difficile à observer directement (voir ci-dessous), et que sa région centrale ne peut être décrite de façon satisfaisante par les théories physiques en leur état du début du xxie siècle, car elle abrite une singularité gravitationnelle. Cette dernière ne peut être décrite que dans le cadre d’une théorie de la gravitation quantique, manquante à ce jourNote 2. En revanche, on sait parfaitement décrire les conditions physiques qui règnent dans son voisinage immédiat, de même que son influence sur son environnement, ce qui permet de les détecter par diverses méthodes indirectes.

Par ailleurs, les trous noirs sont étonnants en ce qu’ils sont décrits par un très petit nombre de paramètres. En effet, leur description, dans l’univers dans lequel nous vivons, ne dépend que de trois paramètres : la masse, la charge électrique et le moment cinétique. Tous les autres paramètres du trou noir (par exemple ses effets sur les corps environnants et leur étendue) sont fixés par ceux-ci. Par comparaison, la description d’une planète fait intervenir des centaines de paramètres (composition chimique, différenciation de ses éléments, convection, atmosphère, etc.). La raison pour laquelle un trou noir n’est décrit que par ces trois paramètres est connue depuis 1967 : c’est lethéorème de calvitie démontré par Werner Israel. Celui-ci explique que les seules interactions fondamentales à longue portée étant la gravitation et l’électromagnétisme, les seules propriétés mesurables des trous noirs sont données par les paramètres décrivant ces interactions, à savoir la masse, le moment cinétique et la charge électrique.

Pour un trou noir, la masse et la charge électrique sont des propriétés habituelles que décrit la physique classique (c’est-à-dire non-relativiste) : le trou noir possède un champ gravitationnel proportionnel à sa masse et un champ électrique proportionnel à sa charge. L’influence du moment cinétique est en revanche spécifique à la relativité générale. Celle-ci stipule en effet qu’un corps en rotation va avoir tendance à « entraîner » l’espace-temps dans son voisinage. Ce phénomène, difficilement observable dans le système solaire en raison de son extrême faiblesse pour des astres non compacts, est connu sous le nom d’effet Lense-Thirring (aussi appelé frame dragging, en anglais). Il prend une amplitude considérable au voisinage d’un trou noir « en rotation », au point qu’un observateur situé dans son voisinage immédiat serait inévitablement entraîné dans le sens de rotation du trou noir. La région où ceci se produit est appelée ergorégion.

La masse d’un trou noir galactique correspond en général à environ un millième de la masse de la matière présente dans le bulbe central

220px accretion diskIllustration de la formation de jets. Au sein d’un système binaire composé d’un trou noir et d’une étoile, cette dernière voit son gaz arraché et aspiré vers le trou noir. En s’approchant, le gaz engendre un disque d’accrétion qui fournit lui-même la matière dont est composé le jet.

 

Trou noir 2Le jet émis depuis le centre de lagalaxie M87 est probablement formé grâce à la présence d’un trou noir supermassif dont la masse est estimée à 6,8 milliards de masses solaires16. Seul un côté du jet est visible, il s’agit de celui dirigé vers nous. Celui-ci apparaît bien plus brillant que le contre jet, car ayant sa luminosité considérablement augmentée par l’effet de décalage vers le bleu, alors que le contre jet subit un décalage vers le rouge qui le rend bien moins lumineux.

Les différents trou noirs

TROU NOIRS SUPERMASSIF

Un trou noir supermassif est, en astrophysique, un trou noir dont la masse est d’environ un million à un milliard de masses solaires. C’est le type de trou noir le plus massif, bien avant le trou noir primordial (encore hypothétique), le trou noir stellaire et le trou noir intermédiaire.

Trou noir supermassifEn haut : Vue d’artiste d’un trou noir supermassif absorbant de la matière dans la galaxie RXJ 1242-11. En bas à gauche : Photo prise dans les rayons X avec le télescope Chandra. En bas à droite : photo optique prise par l’ESO.

TROU NOIR STELLAIRE

Un trou noir stellaire résulte de l'effondrement d'une étoile massive sur elle-même. Cet effondrement se manifeste directement par l'apparition d'une supernova, possiblement associée à un sursaut gamma. Un tel trou noir a une masse comprise entre trois et cinq masses solaires au minimum, le plus massif connu (en 2001) ayant une masse de 14 masses solaires. Les principaux progéniteurs de trous noirs stellaires par effondrement sont les étoiles Wolf-Rayet.

300px wolf rayet2Image du télescope spatial Hubble de la nébuleuse M1-67 autour de l'étoile Wolf-Rayet WR124

TROU NOIR INTERMEDIAIRE

En astrophysique, un trou noir intermédiaire désigne un trou noir de quelques milliers de masses solaires, c'est-à-dire avec une masse se situant entre celle des trous noirs stellaires et les trous noirs supermassifs.

TROU NOIR PRIMORDIAL (hypothétique)

Un trou noir primordial est un type de trou noir hypothétique, formé non pas par effondrement gravitationnel mais par la présence de régions extrêmement denses de l'Univers primitif. Dans ses premiers instants, selon la théorie du Big Bang, la pression et la température étaient si élevées que de simples fluctuations de densité de la matière suffisaient pour amorcer un effondrement gravitationnel très rapide. Alors que la plupart des régions de hautes densités furent dispersées dans l'expansion qui suivit, les trous noirs primordiaux restèrent stables, et devraient être encore présents aujourd'hui. Aucun à ce jour (avril 2015) n'a été cependant clairement observé ou détecté.

 

 

Les trous noirs peuvent tirer loin des matériaux d' étoiles proches (Crédit:. NASA / CXC / M Weiss)

Trou noir 2

 

(Crédit: Science Photo Library)

 

(Crédit: Henning Dalhoff / SPL)

Date de dernière mise à jour : 05/07/2015

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