Les trous noirs
par Dany Bélanger et Pierre-Luc Bossé
INTRODUCTION
Depuis le Big-Bang, l'Univers subit un mouvement d'expansion indéfinie qui donne lieu à de nombreux phénomènes célestes, physiques et chimiques. Un de ces phénomènes observés est le trou noir. Dans ce travail de recherche, nous tenterons de mieux comprendre ce phénomène, qui est méconnu par beaucoup de gens. Nos objectifs sont de faire connaître ce qu'est un trou noir, comment il se forme et de quoi il est composé. Aussi, peut-on voir ces trous noirs, sont-ils nombreux, en a-t-on déjà observés? Quels phénomènes entourent les trous noirs? Nous tenterons de donner les réponses les plus objectives possibles à ces questions.
1. LES TROUS NOIRS, C'EST QUOI?
1.1 DEFINITION DU TROU NOIR
De manière très simpliste, un trou noir se définit comme étant la masse d'une étoile énorme, comprimée en un volume de quelques kilomètres seulement. Autrement dit, c'est comme si on comprimait la Terre dans une bille de 2 cm de diamètre. La contraction gravitationnelle de son noyau est si énorme que rien ne réussit à la "stopper". La gravitation est tellement forte que ni les effets d'agitations quantiques du gaz dégénéré d'électrons ni la pression du gaz dégénéré de neutrons peuvent l'équilibrer. À titre d'exemple, la vitesse de libération du champ gravitationnel de la Terre est de 11 km/s, alors que celle des trous noirs est de 300 000 km/s. C'est donc dire que même la lumière ne peut s'en échapper puisque sa vitesse n'atteint que 300 000 km/s. (1)
1.2 FORMATION D'UN TROU NOIR
Tout comme les êtres humains, les étoiles ont une naissance et une mort. Au terme de leur vie, certaines explosent, éjectant la majeure partie de leur substance: ceci crée une supernova. Si l'étoile était modeste, il se forme une naine blanche. Par contre, si l'étoile était encore plus massive - certains astronomes estiment jusqu'à 10 fois la masse du Soleil - la pression de la gravité continue sans cesse de comprimer le noyau de l'étoile. C'est alors qu'il se crée le trou noir. (1)
Voyons cette formation par étape. Tout d'abord, il faut savoir que le tiers des étoiles de l'espace sont doubles. Imaginons un couple d'étoiles dont l'une est beaucoup plus massive, ce qui fait qu'elle consomme son hydrogène plus rapidement. Au bout de plusieurs millions d'années, la plus massive des étoiles commence à épuiser son hydrogène, qui est capté par sa compagne et se transforme en géante rouge. Une fois l'hydrogène totalement épuisé, celle-ci explose et se transforme en supernova pendant quelques secondes, puis son coeur commence à s'effrondrer. Il ne reste bientôt plus qu'un noyau de quelques kilomètres de diamètre et dont la masse équivaut à plusieurs
fois celle du Soleil. Alors tranquillement, sa compagne se fait aspirer par ce trou noir. (6)
1.3 COMPOSANTES DU TROU NOIR
Le trou noir est composé de différentes parties. Il y a d'abord l'ergosphère situé à une certaine distance du trou noir limité par une surface appelée limite statique. À l'intérieur de l'ergosphère, les objets qui voyagent à la vitesse de la lumière ont encore une chance de s'échapper. La couche suivante se nomme l'horizon. Tout ce qui se passe à l'intérieur de cet espace est inexorablement attiré, aspiré, comme un tourbillon, vers le trou lui-même qu'on appelle singularité et où pression et température atteignent des valeurs infinies. (6)
2. DÉTECTION D'UN TROU NOIR
2.1 COMMENT VOIR LES TROUS NOIRS?
Puisque les trous noirs n'émettent aucune lumière, on ne peut donc pas les voir. Ce que les astronomes perçoivent, ce sont les phénomènes entourant les trous noirs. On sait que le trou noir fait partie d'un système binaire, c'est-à-dire qu'il est accompagné d'une étoile. Le trou noir aspire l'atmosphère de son étoile-compagne. Cette matière gazeuse, qui s'engouffre vers le trou noir en accélérant jusqu'à des vitesses presque égales à celle de la lumière, tourne en un disque lumineux. Cette matière gazeuse atteint alors des températures de près de dix millions de degrés Celsius. Dans sa chute de plus en plus rapide vers le centre, le gaz émet une très grande quantité d'énergie, sous forme de rayons X. Ce sont ces sources de rayons X que les astronomes ont pu observer. (6)
2.2 EXEMPLES DE TROUS NOIRS
Pour le moment, les meilleurs candidats au statut de trou noir sont les systèmes d'étoiles doubles accompagnés d'émission de rayons X. L'un de ces systèmes fut découvert en 1971, dans la constellation du Cygne. La compagne observée est une supergéante bleue vingt fois plus massive que le Soleil. Comme les supergéantes bleues n'émettent pas de rayons X, les scientifiques ont attribué l'émission de rayons X à la présence d'un trou noir couplé à la surpergéante: ils l'ont appelé Cygnus X-1. On a détecté d'autres systèmes d'étoiles doubles émettant des rayons X que l'on considère être des trous noirs: V861 Scorpii, Circinus X-1, GX 339-4 et LMC X-3. (1) (6)
2.3 NOMBRE DE TROUS NOIRS
Selon certaines observations, les astronomes pensent que les trous noirs seraient très nombreux, au même titre que les étoiles et les galaxies. Ils pourraient représenter jusqu'à 0,1% de la masse totale de l'Univers et chaque galaxie contiendrait en son noyau, un trou noir. Dans la Voix Lactée, l'hypothèse d'un trou noir se serait établi que suite à la découverte d'étoiles qui s'éloignent du centre galactique à des vitesses très élevées. Elles sont accélérées par une vitesse gravitationnelle très intense. (2)
3. PHENOMÈNES LIÉS AUX TROUS NOIRS
3.1 RELATIVITÉ DES TROUS NOIRS
La caractéristique la plus surprenante des trous noirs est l'effet dû à l'altération du temps, tel que pourrait l'observer une personne située à bonne distance de la surface d'horizon. Plus un objet s'approche du centre du trou noir, plus il accélère. Ce phénomène serait bien perçu par l'observateur au début, mais plus la vitesse augmenterait et s'approcherait de la vitesse de la lumière, plus l'observateur le verrait ralentir à cause du découplage temporel: c'est la loi de la relativité de Einstein. L'écoulement du temps ne sera donc pas le même pour l'objet que pour l'observateur. La théorie de Einstein dit qu'un objet qui accélère à des vitesses proches de celle de la lumière voit sa masse augmenter. Et comme la matière ralentit le passage du temps, il serait possible d'aller vers le futur.
Les trous noirs permettent d'atteindre ces vitesses, mais nous n'avons pas la technologie nécessaire pour que ce soit possible. La force gravitationnelle des trous noirs est si grande que si nous tentions de voyager par un trou noir, nous finirions le voyage en un amas de particules, nous serions atomisés. La matière négative - qui est un concept très complexe de la science qui permettrait de stabiliser les trous noirs - en réagissant avec l'énergie positive (qui compose l'Univers) pourrait agrandir un trou noir et ainsi éviter l'atomisation des molécules. Donc, si les scientifiques réussissent à créer de l'anti-matière, les trous noirs pourraient être très utiles à l'être humain. (4) (5)
3.2 CATASTROPHES SIBÉRIENNES DE 1908
Le 30 juin 1908, une énorme explosion se produisit dans la région de Tunguska en Sibérie centrale. Tout ce qui se situait dans un rayon de 30 kilomètres, dont un troupeau de 500 rennes, fut détruit. Mais cette explosion n'a laissé ni cratère ni fragment de météorite, ce qui exclut l'hypothèse de l'écrasement d'un météore. Plusieurs autres hypothèses furent soulevées dont celle d'un mini-trou noir ( trou de quelques centimètres de diamètre seulement ) qui aurait heurté la Terre pour la traverser complètement et ressortir dans le nord de l'océan Atlantique, provoquant ainsi un énorme soulèvement d'eau et une explosion dont personne n'a été témoin. Bien sûr, ce ne sont là que des suppositions, mais il n'y a eu aucun événement particulier ce jour-là qui permettrait d'en venir à une autre hypothèse. Et si c'était vrai, on ne peut qu'imaginer quels effets produirait la collision de la Terre avec un trou noir encore plus gros. Les chances que ça se produise sont beaucoup moindres que de gagner à la 6/49. (3)
CONCLUSION
Nous pouvons donc résumer les trous noirs comme de la matière très condensée, infiniment massive, exerçant une force gravitationnelle telle que rien ne peut s'en échapper. Les objectifs de la recherche sont atteints, chaque question a été répondue de façon objective pour rendre la compréhension plus facile. Ce serait intéressant de suivre l'évolution des recherches sur les trous noirs parce que c'est encore un sujet complexe pour les astronomes surtout en ce qui a trait à la relativité des trous noirs. Nous pouvons déjà parier qu'on réussira un jour à voyager dans l'espace-temps. Qui sait? Peut-être dépasserons-nous les limites de notre Univers tel qu'on le connaît.
LEXIQUE
Ergosphère: région voisine d'un trou noir; située à l'extérieur de l'horizon et à l'intérieur de la photosphère, où seuls les objets qui restent en mouvement peuvent échapper à la singularité.
Horizon: aucun objet situé à l'intérieur d'une telle frontière ne peut s'échapper tant y sont puissantes les forces de gravité.
Hydrogène: élément le plus commun dans l'Univers et composant principal des planètes lointaines.
Limite statique: frontière externe de l'ergosphère à l'intérieur de laquelle les particules doivent rester en mouvement pour ne pas être captées par la singularité.
Masse: mesure de la quantité totale de matière dans un objet, déterminée soit par sa gravité, soit par sa tendance à conserver son mouvement.
Naine blanche: étoile âgée, très dense, de la taille de la Terre, mais avec une masse équivalente à celle du Soleil.
Rayons X: bande de rayonnement électromagnétique de longueurs d'onde intermédiaires entre les rayons ultraviolets et les rayons gamma.
Relativité: ensemble de 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.
Singularité: région où la matière a une densité infinie et qui n'a pas d'extension spatiale dans notre Univers physique.
Supergéante: étoile âgée et de forte masse, fortement dilatée par rapport à son état initial. Plus grande et plus brillante qu'une étoile géante.
Supernova: étoile qui acquiert soudain un éclat considérablement plus élevé, puis faiblit graduellement.
Trou noir: en théorie, objet si massif que rien ne peut s'en échapper, ni matière ni rayonnement.
BIBLIOGRAPHIE
1. CDROM: CD Sciences - Banque de textes scientifiques, SERNINE, Daniel, Vidéo Presse, Les trous noirs, Vol. 19, no 5, 1er janvier 1990.
2. CDROM: CD Sciences - Banque de textes scientifiques, GOUGUENHEIM, Lucienne, Pour la science, Trou noir, no 173, 1er mars 1992.
3. ASIMOV, Isaac. Trous noirs, Montréal, Édition L'Étincelle, 1977, 221 p.
4. LÉGARÉ Félix. Voyager dans le temps, science ou fiction?, Québec Science,
vol. 34, no 5, février 1996, p. 17-20.
5. REEVES, Hubert. Patience dans l'azur, l'évolution cosmique, Paris, France,
Édition du Seuil, 1988, 324 p.
6. Voyage à travers l'Univers: Les Étoiles, Amsterdam, Les Éditions Time-Life, mai 1989.
7. Visualizing Black Hole Spacetime
http://www.ncsa.uiuc.edu/SCMS/DigLib/text/astro/Visualizing-Black-Hole-Spacetime-Seidel.html
Recherche : Dany Bélanger et Pierre-Luc Bossé, Centre Le Goéland, Sherbrooke, QC
Page mise à jour : 14 mars 1998
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