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Trou noir

L’idée du « trou noir » est née il y a deux siècles. Désignant des astres hypothétiques qui seraient capables d’engloutir toute matière passant à leur portée, les trous noirs sont les corps célestes les plus mystérieux.

La théorie du trou noir fascine, car théoriquement, elle permettrait de voyager dans l'espace de manière instantanée. Mais qu'en est-il vraiment ?

La théorie du trou noir

Le terme « trou noir » a été employé pour la première fois en 1967 par John Wheeler. Grâce à nos connaissances sur les mécanismes de formation et de mort des étoiles, l’existence des trous noirs a pu être confirmée.
Pour simplifier, on peut dire que la théorie est partie du principe qu’à priori, rien ne s’oppose à ce qu’il puisse exister des objets si denses et si massifs que la lumière elle-même ne pourrait s’en échapper.

Selon Newton, « tous les objets de l’univers s’attirent mutuellement avec une force inversement proportionnelle au carré de la distance ».

La vitesse suffisante est appelée « vitesse de libération ». Exemple : pour quitter la Terre, une fusée doit atteindre 11,2 km/s. La vitesse de libération de la Terre est donc de 11,2 km/s

Donc, si on suppose qu’il existe des astres suffisamment massifs pour que la lumière elle-même ne puisse s’en échapper, cela signifie que la vitesse de libération de ces astres est supérieure à celle de la lumière soit environ 300 000 km/s.

Cette théorie a été émise conjointement par John Michell en 1783 et par Pierre Simon de Laplace en 1796.
Mais à cette époque on ne connaissait pas encore la vitesse de la lumière.

Qu’est-ce qu’un trou noir ?

Les trous noirs ne seraient que les cadavres d'étoiles équivalant à plusieurs dizaines de masses solaires. Ils sont toujours étudiés car ils conservent bien des mystères.

Supernova

Les restes de la supernova Puppis A. © NASA

Après l’explosion, il reste au centre de l’astre mort un noyau ultra dense de quelques kilomètres de diamètre.

Il y a à partir de là deux solutions :

1/Si sa masse ne dépasse pas trois fois celle du soleil, le noyau dense ne peut plus se comprimer et demeure en l’état. C’est une étoile à neutrons.

2/Si sa masse dépasse d’au moins trois fois celle du soleil, la gravité devient si forte que l’effondrement sur lui-même se poursuit. L’astre mort devient alors un trou noir.

Donc, quand une étoile a épuisé son hydrogène, elle s'effondre sous l'effet de sa propre gravité. L'étoile devient des centaines de fois plus grosse: c'est une géante rouge.

Si l'étoile est plus massive que le soleil, elle devient plus grande qu'une géante rouge: c'est une supergéante.

Puis la supergéante s'effondre brutalement et libère une énergie phénoménale qui pulvérise l'étoile: c'est une supernova. Les trous noirs sont donc la conséquence de la mort des étoiles les plus massives.

supernova

Que font les trous noirs ?

Selon le principe de la relativité générale, tout corps déforme l’espace temps qui l’entoure. Cette déformation de l’espace-temps n’est pas perceptible près de la Terre qui n’est pas massive.

Cette déformation est déjà observable près du soleil.

À proximité d’un trou noir, elle est très marquée. Donc, les distances sont raccourcies. Par exemple, les durées seraient allongées. Une seconde serait plus longue à côté d’un trou noir que sur Terre.
Ainsi, plus on se rapproche d’un trou noir et plus le temps se ralentit.

Supernova

Le 24 février 1987, cette supernova a explosé dans le Grand Nuage de Magellan (© Nasa)

Mais, dans la mesure où toutes nos lois physiques ne peuvent s’appliquer, personne ne peut dire vraiment ce qui se passe au sein d’un trou noir.
Tout objet qui entre dans l’horizon d’un trou noir s’y enfonce sans retour possible.

Théoriquement, on pourrait s’approcher d’un trou noir à une certaine distance et se satelliser autour sans s’y engloutir. Mais, l’expérience n’a jamais été tentée.

Observation d’un trou noir

En 1997, une équipe du service d’astrophysique du CEA a réussi, pour la première fois, à observer les phénomènes qui se produisent à proximité d’un trou noir.

Il s’agissait dans ce cas précis de matière arrachée à une étoile voisine. L’astre baptisé GRS 1915+105 était à 40 000 années-lumière de la Terre.
Il avait été détecté en 1992.

Dans la mesure où des supernovas explosent en permanence au sein de la galaxie, il se créerait de nouveaux trous noirs en continu.

Noyau de la galaxie NGC 4261

Noyau de la galaxie NGC 4261, vu par le télescope spatial Hubble. Il ressemble à un disque d'accrétation entourant un trou noir hypermassif (© Digital Vision LTD)

Il faut souligner que l'on peut observer ce qui se passe dans le voisinage d'un trou noir, mais pas le trou noir par lui-même. La lumière ne pouvant s'échapper d'un trou noir, il est invisible.

Les représentations qu'on peut en avoir ne sont que des vues d'artiste.

Trou noir

Représentation d'un trou noir. © dinosoria

Trou noir et voyage interstellaire

Les trous noirs auraient un symétrique dans une autre partie de l’univers. Par opposition, on les appelle des fontaines blanches ou « trous blancs ».

Si un trou noir absorbe la matière, le trou blanc la rejette.

Donc, en théorie, un trou noir relié à un trou blanc créerait une porte spatio-temporelle. Ce serait donc un voyage instantané.

Trou noir

Représentation d'un trou noir absorbant la matière . © dinosoria

Prenons le cas d’un voyage qui serait effectué par un équipage vers les espaces interstellaires à bord d’un vaisseau. Le principe a bien sûr été largement étudié avec notamment le projet Dédale élaboré dans les années 70.

Très schématiquement, disons que le concept se basait sur de nouvelles avancées en physique nucléaire, notamment sur la fusion.

Si un vaisseau était capable de se déplacer à 90 % de la vitesse de la lumière, il serait soumis à la déformation de l’espace-temps.
Par exemple, Alpha du Centaure, distante de 4,3 années-lumière serait atteinte en 3 ans. Le centre de la Voie lactée, à 30 000 années-lumière, serait atteint en 10 ans.
Mais, sur Terre, des millions d’années se seraient écoulés.
Ce type de voyage serait donc sans retour.

Nebuleuse du Crabe

La nébuleuse du Crabe est ce qui reste de la première supernova du millénaire, qui explosa en 1054 (© Digital Vision LTD)

On comprend mieux pourquoi les trous noirs fascinent autant. Ils pourraient représenter le seul moyen de voyager instantanément dans l’univers.
Malheureusement, le champ gravitationnel exerce des effets tellement destructeurs que le passage dans un trou noir nous semble définitivement impossible.

V. BATTAGLIA (11.2005)

Voyage dans le temps

Références

Au coeur des étoiles et galaxies Editions Hachette 2004. L'Astronomie De La Martinière Jeunesse 2002. Comprendre les Etoiles et Planètes Gründ 1990

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