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Mai 21 2015

Les trous noirs : Au delà de notre perception (Partie 1)

Représentation virtuelle d'un trou noir. (Extrait du film Interstellar)

Représentation virtuelle d’un trou noir.
(Extrait du film Interstellar)

Il est des mystères que même la science moderne peine à élucider. Pourtant, elle prédit avec une grande exactitude l’existence de l’un d’entre eux. Sa forme, ses paramètres, sa localisation, son environnement… Mais elle est incapable de prédire ce qu’il se passe à l’intérieur.

L’intérieur d’un trou noir est un mystère, et ne fait l’objet que d’hypothèses, de conjectures, et de suppositions.

Nous savons beaucoup de choses sur ces objets, mais dès le moment où l’on franchi son horizon… C’est le noir complet.

Pour aborder ce thème typique des œuvres de science-fiction, il convient de bien comprendre sa nature et les impacts de sa présence sur notre réalité.

Je vous propose d’en apprendre plus avec cet article en 2 parties sur ce que sont vraiment ces objets, et sur leurs incroyables effets.

D’abord quelques notions relativistes

La fameuse équation d’Einstein

Tout le monde la connait, elle est souvent associée à l’invention de la bombe atomique et à la fameuse photographie d’Einstein tirant la langue à un photographe. Mais tout le monde ne connait pas forcément sa réelle signification qui est pourtant très simple et qui pourrait être résumée à:

Toute matière, même inerte, contient une énergie considérable.

E=mc^2

Explosion de la bombe Little Boy au dessus de la ville d'Hiroshima

Explosion de la bombe Little Boy au dessus de la ville d’Hiroshima

Dans cette formule issue de la théorie de la relativité restreinte, E représente l’énergie exprimée en joules, m représente la masse exprimée en kilogrammes, et c est une constante qui représente la vitesse de la lumière dans le vide en mètres par seconde (soit 299 792 458 m/s qui équivaut à environ 300 000 km/s).

Ce qui doit sauter aux yeux en voyant cette formule, c’est l’ordre de grandeur de E étant donné l’importance du facteur c qui est porté au carré de sa valeur.

Faisons alors un test rapide et calculons la valeur de l’énergie contenue dans un objet d’un kilogramme. Nous reprenons donc la formule et remplaçons m par 1 et c par 299 792 458.

E=1*299792458^2

E=89875517873681764

Cela veut dire que si l’on convertissait 1 kg de matière, on obtiendrait une énergie de 89 875 518 milliards de joules !

Pour vous donner une idée de ce que cela représente, sachez que la bombe qui a détruit Hiroshima à dégagée environ 63 000 milliards de joules. Ce qui revient à dire qu’un kilogramme de matière contient plus de 1 400 fois l’énergie produite par le bombardement d’Hiroshima. C’est beaucoup…

La notion d’espace-temps

Cette représentation permet de visualiser la relation entre espace et temps, qui est l’une des bases pour la compréhension de ce qui va suivre. La théorie de la relativité générale d’Albert Einstein établi que la gravité est une force qui est directement liée à la présence d’énergie et donc de matière, comme nous l’avons vu précédemment.

Dans ce monde relativiste, l’espace et le temps, mais aussi l’énergie et la gravité sont liés entre-eux et une action sur l’un provoquera un effet sur les autres. Afin de globaliser cette notion on appelle donc « espace-temps » cet objet constitué de l’espace (tridimensionnel) et du temps.

Il est malheureusement impossible pour nos cerveaux de se représenter un monde en 4 dimensions (trois d’espace et une de temps). Il faut pour cela utiliser une représentation tridimensionnelle de ces effets.

Déformation de l'espace temps et gravité. Crédits: Clear Science

Déformation de l’espace temps et gravité.
(Crédits: Clear Science)

Sur cette animation on peut voir que la sphère la plus grosse (au centre) applique une courbure au tissu quadrillé. Ce tissu représente l’espace-temps. On comprends donc que, selon ce schéma, la courbure du tissu impacte autant l’espace que le temps qui s’y écoule. Pourquoi cette sphère « pèse » t-elle sur l’espace-temps ? Parce-qu’elle contient de l’énergie, elle-même contenue dans la matière qui la constitue. Plus la masse de cette sphère sera importante, plus la courbure qu’elle appliquera à l’espace-temps sera prononcée.

Dans le cas d’objets très massifs, comme notre Soleil, la courbure est si importante qu’elle va influencer des corps se situant à des milliards de kilomètres de distance. C’est ce que représente la petite sphère grise.

Déformation de l'espace-temps par une masse. (Crédits: Chris Bon)

Déformation de l’espace-temps par une masse.
(Crédits: Chris Bon)

Cette dernière roule à une certaine vitesse sur le tissu de l’espace-temps, mais sa trajectoire est influencée par la courbure provoquée par la grosse sphère. Si sa vitesse est suffisante, elle ne tombera pas au fond mais tournera indéfiniment autour de la sphère blanche. Si sa vitesse est insuffisante, les cercles qu’elle va décrire vont se rétrécir au fur et à mesure et elle finira par tomber en spirale vers le fond du creux. Si, dans un dernier cas, sa vitesse est trop importante alors la sphère aura assez d’énergie pour remonter la pente et s’échapper du creux formé par l’étoile. C’est ici la manifestation de ce que l’on appelle la gravité. Le creux formé par une masse dans le tissu de l’espace-temps est la gravité.

Bien sur, il s’agit seulement d’un modèle. Le monde ne nous apparait pas de cette façon, si l’on tentait de créer une représentation qui colle un peu plus avec notre vision du monde, nous pourrions utiliser la vue ci-contre.

Dilatation du temps

Kip Thorne

Kip Thorne

Si ce sujet vous intéresse, vous trouverez dans ma bibliothèque une référence à un ouvrage de Kip Thorne qui traite principalement de ce sujet.

La relativité restreinte a apporté deux choses fondamentales en physique moderne. D’une part, la vitesse de la lumière est constante. Quel que soit le référentiel et quelle que soit la vitesse de l’émetteur. D’autre part, le temps n’est pas absolu !

C’est ce que l’on appelle l’effet de dilatation du temps, au sujet duquel la théorie nous dit que pour tout objet en mouvement dans un référentiel, le temps s’écoulera moins vite que pour un objet immobile. Il est possible de décrire cet effet avec l’exemple des horloges, ou encore le paradoxe des jumeaux.

Si l’on place deux observateurs A et B chacun dans une navette équipée d’une grande horloge sur le fuselage et que l’on fait passer la navette B très rapidement devant la navette A, qui est immobile, que se passerait-il ? L’observateur A verrait que l’horloge de la navette B tourne moins rapidement que la sienne. Car B est en mouvement rapide par rapport à A.

Illustration de la dilatation du temps selon la relativité restreinte. (Crédits: C.P. Rigel)

Illustration de la dilatation du temps selon la relativité restreinte.
(Crédits: C.P. Rigel)

Mais il n’y a pas que la vitesse de déplacement qui peut influencer le cours du temps. Nous avons vu qu’une masse importante pouvait déformer le tissu de l’espace-temps et donc déformer le temps, ce phénomène issu de la théorie de la relativité restreinte s’étend donc à la théorie de la relativité générale.

Pour les sceptiques, cette déformation est bien réelle et a d’ores et déjà été démontrée par l’expérience. Eh oui ! C’est difficile à imaginer mais pourtant le temps n’est pas absolu, il peut s’écouler différemment en fonction de l’endroit où l’on se trouve. Plus un sujet va se trouver proche d’une masse importante, et plus le temps s’écoulera lentement pour lui. La courbure de l’espace-temps modifiera la façon dont s’écoule le temps à un endroit donné.

Par exemple, pour un astronaute en orbite terrestre, le temps s’écoule plus rapidement que pour nous autres terriens. En étant plus proches de la Terre (une masse importante) nous subissons ce phénomène de façon plus intense. En d’autres termes, les astronautes vieillissent plus vite que nous !

Bien sûr, la distance est si petite entre eux et nous (environ 400 km) que ces effets sont minimes et ne peuvent être visible à cette échelle. Mais ils peuvent, en revanche, facilement être mesurés par des horloges atomiques embarquées comme Pharao sur l’ISS.

Anatomie d’un trou noir

Généralités

Un trou noir est le résultat de la présence d’une singularité gravitationnelle (ceux que ça intéresse peuvent creuser du côté de la censure cosmique). Selon la masse de cette singularité, les effets produits peuvent être très différents. Mais certaines caractéristiques sont générales à tous les trous noirs.

Le trou noir stellaire Cygnus X1 de 8,7 masses solaires observé en rayons X. (Crédits: NASA)

Le trou noir stellaire Cygnus X1 de 8,7 masses solaires observé en rayons X.
(Crédits: NASA/Chandra)

On peut les définir simplement par leur masse, leur rotation, et leur charge électrique. En outre, on pense que tous les trous noirs possèdent un horizon des événements qui dissimule la singularité et la rend invisible et indétectable (même si certaines théories avancent qu’il serait possible qu’un trou noir existe sans horizon). La seule solution pour « voir » un trou noir, est d’observer ses effets sur son environnement.

Trou noir stellaire

Un trou noir stellaire est une singularité gravitationnelle issue de l’effondrement d’une étoile massive en fin de vie. Pour ceux qui désirent plus de précisions sur la formation d’un trou noir, l’article que j’ai écrit sur les étoiles devrait étancher leur soif.

Mais qu’est-ce qu’une singularité gravitationnelle exactement ? C’est un point de l’univers où certains paramètres qui le décrivent (notamment la gravité) tendent vers l’infini. L’existence de ces singularités a pu être démontrée par l’équation du champ gravitationnel d’Einstein mais elles n’ont jamais pu être observées directement, et nous allons voir pourquoi.

Trou noir supermassif

Galaxie M87 contenant en son centre un trou noir supermassif provoquant un jet de matière de plus de 5000 années lumières de longueur. (Crédits:NASA/Hubble)

Galaxie M87 contenant en son centre un trou noir supermassif provoquant un jet de matière de plus de 5000 années lumières de longueur.
(Crédits:NASA/Hubble)

Le trou noir supermassif, quant à lui, reste quelque peu obscur… Son origine n’est pas encore totalement élucidée et plusieurs hypothèses s’affrontent. Il pourrait être un trou noir stellaire très gourmand qui aurait englouti des quantités énormes de matière et gonflé jusqu’à atteindre une dimension monstrueuse. Mais certaines observations de très anciens trous noirs de ce type tendraient à réfuter cette hypothèse (ils n’auraient pas eu le temps de se former). Il se pourrait aussi qu’ils soient apparus directement après le big bang mais le mécanisme de leur formation reste à ce jour (2015) inconnu.

On en trouve au sein de la plupart des centres galactiques. Par exemple, notre galaxie (la Voie lactée), contiendrait en son centre un trou noir supermassif de 4 millions de masses solaires baptisé Sagittarius A.

Il est à noter qu’il existe également des trous noirs de masse intermédiaire entre ces deux grandes familles.

Horizon des événements

L’horizon des événement est une sphère, au delà de laquelle, la lumière ne parvient plus à échapper à la gravité de la singularité. Elle reste donc piégée derrière cet horizon et ne peut plus en sortir.

Cette sphère d’influence à été baptisée horizon des événements car tout événement ayant lieu au delà de cette limite ne pourra jamais plus influencer quoi que ce soit qui se trouverait en dehors. C’est un peu comme si cette zone était définitivement coupée de notre univers. Son diamètre est variable en fonction de la masse du trou noir.

Dans la grande majorité des cas, un disque de matière se trouve en rotation rapide autour de l’horizon. Il s’agit de toute la matière capturée par la gravité du trou noir et qui est en orbite autour de ce dernier. Cette matière va progressivement être accélérée à l’approche de l’horizon et finira par être engloutie par le monstre. Ce disque est appelé disque d’accrétion.

Aucune chance d’y échapper

Pour tout astre, que ce soit une étoile ou une planète, il existe un paramètre appelé vitesse de libération. Ce paramètre défini la vitesse à partir de laquelle un objet est capable d’échapper à la gravité d’un astre et se calcule de cette façon:

vl=\sqrt{\frac{2GM}{R +d}}

Dans cette formule, où la vitesse de libération (vl) est exprimée en mètres par seconde, G est la constante gravitationnelle, M est la masse de l’astre en kilogrammes, R est le rayon de l’astre en mètres et d est la distance, en mètres, de l’objet en mouvement par rapport à la surface de l’astre.

Par exemple, pour la Terre, cette vitesse est de 11,19 km/s. C’est à dire que, pour pouvoir quitter la Terre, une fusée doit atteindre au minimum cette vitesse. Pour la Lune, cette vitesse est de 2,38 km/s. Vous aurez donc compris en voyant la formule que plus l’objet est massif et donc la gravité importante, plus la vitesse de libération augmente. Et pour le cas d’un trou noir, l’horizon des événements correspond à la région à partir de laquelle la vitesse de libération atteint et « dépasse » celle de la lumière. Étant donné qu’il est impossible de dépasser la vitesse de la lumière dans le vide, vous n’avez aucune chance de pouvoir faire demi-tour une fois cette limite franchie.

Les mirages gravitationnels

Cet effet, appelé aussi anneau d’Einstein ou lentille gravitationnelle, est dû à la déformation de l’espace-temps à proximité d’un trou noir. La gravité va dévier les rayons lumineux passant à proximité.

Illustration de la déviation d'un rayon lumineux par la courbure de l'espace-temps déformé par la masse d'une galaxie.

Illustration de la déviation d’un rayon lumineux par la courbure de l’espace-temps déformé par la masse d’une galaxie.

Cet effet peut se traduire par un anneau entourant la source de gravité, ou par un décalage dans l’espace de l’objet se situant derrière. Il arrive même parfois qu’un objet apparaisse en double de chaque coté de la source de gravité.

Exemples d'anneaux d'Einstein photographiés par le télescope spatial Hubble.

Exemples d’anneaux d’Einstein photographiés par le télescope spatial Hubble.

Apparence d’un trou noir

Contrairement à une idée reçue véhiculée par le cinéma et un grand nombre de réalisations artistiques utilisées hors contexte, un trou noir ne ressemble pas à un tourbillon sans fin ni à un tunnel. Son apparence, si l’on en voyait un de nos propres yeux, serait beaucoup plus complexe. Comme nous l’avons vu ci-dessus, la trajectoire de la lumière, même si elle ne chute pas dans le trou noir, sera déviée par l’extrême gravité de la singularité.

Ceci va se traduire par une déformation de son image réelle. Et l’image du disque d’accrétion se situant derrière le trou noir sera « projetée » au dessus de ce dernier, donnant une apparente forme de chapeau.

La simulation présentée ci-dessous montre comment nous pourrions le voir.

Description d'un trou noir à partir d'une simulation informatique. (Crédits: J-P Luminet / C.P. Rigel)

Description d’un trou noir à partir d’une simulation informatique.
(Crédits: J-P Luminet / C.P. Rigel)

On retrouve les éléments décrits plus haut, comme l’horizon, et le disque d’accrétion. Mais on voit également que le trou noir n’est pas symétrique, contrairement à la photo tirée du film Interstellar et figurant en haut de cet article. Cette brisure de symétrie est due à l’effet Doppler. Le disque étant en rotation rapide, une partie de ce dernier (ici la partie gauche) approche à grande vitesse de l’observateur, tandis que l’autre (partie droite) s’en éloigne. La lumière émise par cette matière en rotation voit donc sa longueur d’onde décalée par l’effet Doppler. Aussi la partie en approche paraitra plus lumineuse et intense que la partie s’éloignant, de la même façon qu’une sirène d’ambulance parait plus aiguë lorsqu’elle s’approche et plus grave lorsqu’elle s’éloigne.

Gravitation quantique

gravitation-quantique

Les différentes théories présentes

Il nous est totalement impossible de voir ce qu’il y a derrière cette zone, et il est donc impossible de voir ou d’étudier une singularité gravitationnelle. Et c’est bien dommage ! Car cela pourrait être riche d’enseignements pour nous.

La physique actuelle ne nous permet malheureusement pas de savoir avec exactitude ce qu’il se passe au niveau de la singularité. Pour cela, il nous faudrait une théorie de la gravitation quantique. Or à l’heure actuelle, nous disposons (entre autres, voir ci-contre) de deux grandes théories: La relativité générale, décrivant ce qu’il se passe à grande échelle où les effets de la gravité sont importants. Et la mécanique quantique, décrivant ce qu’il se passe à l’échelle des particules subatomiques et où les effets de la gravité sont bien moindres.

Le problème est que ces deux théories ne sont pas compatibles, voire même, se contredisent. Nous sommes donc obligés de les utiliser séparément selon le cas à analyser.

Et c’est bien tout le problème car dans le cas précis d’un trou noir ces deux échelles se confondent, et les deux théories donnent des résultats incompatibles. Plusieurs théories sont candidates à l’unification de ces deux géantes, mais nous n’en sommes encore qu’au début, et il faudra sans doute attendre des années avant que nous ne puissions les unifier.

Ergosphère

Entrainement de la structure de l'espace par la rotation d'un trou noir.

Entrainement de la structure de l’espace par la rotation d’un trou noir.

L’ergosphère, également ergozone ou ergorégion, est une zone présente pour chaque trou noir en rotation (nous les verrons dans la 2ème partie de cet article). Elle entoure l’horizon des événements et délimite la zone au sein de laquelle l’espace lui-même est vrillé par la rotation du trou noir. C’est donc une zone ou il est absolument impossible de rester immobile (dans un référentiel absolu).

Même si son nom laisse entendre une géométrie sphérique, l’ergosphère serait plutôt un ellipsoïde irrégulier à cheval sur 4 dimensions déformées… C’est donc très difficile à imaginer.

Cet endroit intéresse beaucoup les scientifiques, car il s’agit du seul endroit d’où il serait possible de tirer de l’énergie d’un trou noir (d’où son nom: ergon = travail en grec). Il s’agirait de récupérer une partie de son énergie cinétique par un procédé appelé le processus de Penrose.

Détecter un trou noir

Comme expliqué plus tôt, il est impossible de voir directement un trou noir. En revanche, son impact énorme sur son environnement peut trahir sa présence. Il y a plusieurs façon de le détecter, mais les trois principales méthodes sont les suivantes.

Repérer un éventuel mirage gravitationnel qu’il aurait causé (une étoile apparaissant en double, ou un anneau d’Einstein).

Capter l’énergie générée par la matière du disque d’accrétion. En effet, lorsque la matière est proche de franchir l’horizon, elle gagne en vitesse. Ce phénomène associé à celui de la dilatation temporelle a pour résultat de générer une grande quantité de rayonnement. Si l’on reprend l’exemple de la photo de Cygnus X1, c’est son rayonnement dans la gamme des rayons X qui a permis de le détecter.

Le jet de matière est aussi un moyen de le détecter, car un trou noir peut également générer de puissants champs magnétiques, ces derniers peuvent parfois propulser de la matière sous la forme d’un jet le long de son axe de rotation et dont la vitesse peut atteindre des valeurs proches de celle de la lumière, comme pour celui du centre de la galaxie M87.

A suivre…

Les trous noirs font partie des sujets les plus passionnants et intrigants du monde de l’astronomie, et il y a tant à en dire qu’un article ne suffirait pas. Je vous donne donc rendez-vous dans un deuxième article afin de découvrir ensemble les différents types de trous noirs que l’on pourrait imaginer, ainsi que d’autres objets aussi intéressants pour les amateurs de science-fiction que nous sommes: les trous de ver.

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