Les Mystères Fascinants des Trous Noirs

DESCRIPTION

Au centre de la plupart des galaxies, on trouve l'une des choses les plus étranges et les plus fascinantes de l'univers : un trou noir. Un trou noir est une région de l'espace(un objet astronomique) dont le champ gravitationnel est si intense qu'il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s'en échapper c'est à dire que c'est un corps dont la vitesse de libération V=racine carrée de 2GM/R ( vitesse nécessaire à un corps pour s'échapper du champ gravitationnel d'une planète ou d'une étoile ou G=constante gravitationnelle= G (6,7 × 10-11 m3 kg-1 s-2) et R= rayon de la planète ou de l'étoile et M= masse) est supérieure à la vitesse de la lumière(300000km/s). La plupart des trous noirs, quelle que soit leur taille, apparaissent lorsqu'une étoile géante manque d'énergie. L'étoile implose et son centre s'effondre sous son propre poids. Cela provoque une explosion appelée une supernova (pour voir à quoi ressemble une supernova, regarde la vidéo ci-dessous !). L'étoile géante est finalement réduite en une bille très compacte que l'on ne peut pas voir à l'oeil nu car la gravité est si intense que rien, pas même la lumière ne peut s'en échapper.
Ces objets fascinants ont été prédits par la théorie de la relativité d'Albert Einstein. Leur champ gravitationnel est si puissant qu'ils déforment l'espace-temps (En physique, l'espace-temps est une représentation mathématique de l'espace et du temps comme deux notions intrinsèquement liées et s'influençant l'une sur l'autre. A vrai dire, ce sont deux versions (vues sous un angle différent) d'une même entité) autour d'eux.

L'HISTOIRE DE LA DECOUVERTE ET INVENTION DU TERME TROU NOIR

Les trous noirs ont été théorisés pour la première fois en 1783 par le mathématicien et astronome britannique John Michell. Il a proposé l'existence de corps célestes si densément massifs que rien ne pouvait s'en échapper, pas même la lumière. Cependant, il a fallu attendre le milieu du 20ème siècle et les avancées de la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein pour que les trous noirs soient véritablement compris et étudiés de manière scientifique.
En 1964, le physicien britannique Stephen Hawking a proposé que les trous noirs ne sont pas complètement "noirs", mais qu'ils émettent une radiation faible connue sous le nom de radiation Hawking. Cette découverte a eu un impact important sur la compréhension des trous noirs et a aidé à établir leur existence de manière plus solide.
Le terme “trou noir” a été mentionné pour la première fois en 1964 dans un article de l’astronome américain John Wheeler.
Ils ont été découverts en 1783 par les astronomes, grâce à l'observation d'une comète( un petit corps du système solaire externe composé de roches et de glace et de poussière qui orbite autour du soleil. Elles sont souvent appelées "boules de neige sales" en raison de leur composition. Lorsqu'une comète s'approche du Soleil, la chaleur fait fondre une partie de sa glace, créant une longue traînée lumineuse appelée queue) qui ne pouvait être observable dans l'espace normal. Cette comète a été détectée par une étoile dont la trajectoire a été modifiée par sa proximité avec un trou noir. Les trous noirs sont l'un des plus grands mystères de la physique et sont étudiés par les scientifiques depuis plus de 200 ans.

DIFFERENTES CATEGORIES DE TROUS NOIRS

Les trous noirs sont habituellement distingués les uns des autres à partir de leur masse.
Les trous noirs stellaires : ils représentent généralement entre 10 et 24 masses solaires (La masse solaire est une unité de mesure utilisée en astronomie pour exprimer des masses en fonction de la masse du Soleil. En d'autres termes, une masse solaire équivaut à la masse totale de notre étoile, le Soleil.Précisement, la masse solaire est d'environ 1,989 × 10^30 kilogrammes). Ils sont présents d'une dizaine de millions par galaxie


Les trous noirs supermassifs : ce sont des trous noirs géants, dont la masse représente au moins un million de fois celle du Soleil. Ils peuvent être encore plus imposants : Sagittarius A* (A*:A étoile) est également le trou noir supermassif associée au centre de notre galaxie ( la Voie lactée)


Les trous noirs intermédiaires : comme leur nom l’indique, ils sont à mi-chemin entre les trous noirs stellaires et les trous noirs supermassifs. Leur masse représenterait quelques milliers de fois celle du Soleil. Pour la première fois, une preuve directe de leur existence a été observée en septembre 2020.


Certaines hypothèses avancent l’existence de trous noirs encore plus petits que les plus petits déjà connus, ou au contraire de trous noirs « incroyablement grands » mais sans preuves assez solides de l’existence de tels objets, pour l’instant.

COMMENT SE FORMENT LES TROUS NOIRS ?

La possibilité de l’existence des trous noirs n’est pas une conséquence exclusive de la relativité générale : la quasi-totalité des autres théories de la gravitation physiquement réalistes permet également leur existence. La relativité générale, à l’instar de la plupart de ces autres théories de la gravité, non seulement prédit que les trous noirs peuvent exister, mais aussi qu’ils seront formés partout où suffisamment de matière peut être compactée dans une région de l’espace. Par exemple, si l’on compressait le Soleil dans une sphère d’environ trois kilomètres de rayon (soit à peu près quatre millionièmes de sa taille), il deviendrait un trou noir. Si la Terre était compressée dans un volume de quelques centimètres cube, elle deviendrait également un trou noir.
Pour l’astrophysique, un trou noir peut être considéré comme le stade ultime d’un effondrement gravitationnel. Les deux stades de la matière qui, en termes de compacité, précèdent l’état de trou noir, sont ceux atteints par exemple par les naines blanches et les étoiles à neutrons. Dans le premier cas, c’est la pression de dégénérescence des électrons qui maintient la naine blanche dans un état d’équilibre face à la gravité. Dans le second, il ne s'agit pas de la pression de dégénérescence des nucléons, mais de l'interaction forte qui est l'une des quatre interactions fondamentales de la physique, aux côtés de la gravitation, de l'interaction électromagnétique et de l'interaction faible. Elle est responsable de lier les quarks ensemble pour former des protons et des neutrons, les constituants des noyaux atomiques qui permet le maintient de l’équilibre. Un trou noir ne peut se former suite à l'effondrement d'une naine blanche : celle-ci, en s'effondrant initie des réactions nucléaires qui forment des nucléons plus lourds que ceux qui la composent. Ce faisant, le dégagement d'énergie qui en résulte est suffisant pour disloquer complètement la naine blanche, qui explose en supernova dite thermonucléaire .Un trou noir se forme lorsque la force de gravité est suffisamment grande pour dépasser l’effet de la pression, chose qui se produit quand l'astre progéniteur dépasse une certaine masse critique. Dans ce cas, plus aucune force connue ne permet de maintenir l’équilibre, et l’objet en question s’effondre complètement. En pratique, plusieurs cas de figures sont possibles : soit une étoile à neutrons accrète de la matière issue d'une autre étoile, jusqu'à atteindre une masse critique, soit elle fusionne avec une autre étoile à neutron (phénomène a priori beaucoup plus rare), soit le cœur d'une étoile massive s'effondre directement en trou noir.
Il est admis que les trous noirs stellaires naissent lorsqu’une étoile s’effondre sur elle-même. Cette étoile doit être suffisamment massive pour former un trou noir : notre Soleil ne pourrait pas en devenir un, par exemple. Pour former un trou noir stellaire, il faut que le noyau résiduel laissé par l’étoile soit supérieur à trois masses solaires.
La formation des trous noirs supermassifs fait l’objet de débats scientifiques. On peut supposer que la formation de ces trous noirs géants a lieu sur de longues échelles de temps, compte tenu de leur taille. Pourtant, on sait que des trous noirs supermassifs étaient déjà présents dans l’univers encore jeune. Ces objets n’ont donc pas pu se former par accrétion d’étoiles (en « gobant » la matière d’étoiles, ce qui leur permet de grossir).
La formation des trous noirs intermédiaires serait quant à elle expliquée par une réaction en chaîne : une collision d’étoiles situées dans des amas très denses, qui entraînerait une accumulation d’étoiles très massives. Leur effondrement donnerait naissance à des trous noirs de masse intermédiaire. La fusion de trous noirs intermédiaire pourrait même donner naissance à des trous noirs supermassifs.

PEUT-ON VOIR UN TROU NOIR ?

Il est très difficile de "voir" directement un trou noir, car ils sont, par définition, des régions où la gravitation est si forte qu'elle empêche même la lumière de s'échapper. Cela signifie qu'un trou noir ne peut pas être vu en utilisant des instruments optiques tels que des télescopes, car ils ne détectent que la lumière visible et les rayonnements électromagnétiques de longueur d'onde similaire. Chacun se pose surement la question:Comment sait-on qu’ils existent, si on ne peut pas les voir ? Scientifiquement c'est évident à expliquer puisque les scientifiques ont des moyens de les étudier. Ils peuvent, par exemple, étudier les effets que provoque un trou noir sur son environnement proche (les étoiles, le gaz autour du trou noir). Les rayons X émis par un trou noir, notamment quand une étoile s’en approche, sont aussi très utiles. Autre astuce des chercheurs, depuis leur découverte en 2015 : les ondes gravitationnelles. Elles jouent un véritable rôle de « messager cosmique » pour découvrir et étudier des trous noirs Par exemple, lorsqu'un trou noir se trouve au centre d'une galaxie, il peut être détecté en observant les mouvements de matière autour de lui.La matière qui tombe dans le trou noir peut être accélérée à des vitesses élevées et émettre de la lumière, ce qui peut être détecté par des instruments de détection de rayonnement.

QUE TROUVE T-ON A L'INTERIEUR D'UN TROU NOIR ?

Au centre d'un trou noir se situe une région dans laquelle le champ gravitationnel et certaines distorsions de l'espace-temps (on parle plutôt de courbure de l'espace-temps) divergent à l'infini, quel que soit le changement de coordonnées. Cette région s'appelle une singularité gravitationnelle. Même s’il est fortement déconseillé de visiter un trou noir (la Nasa l’a rappelé dans une vidéo beaucoup trop mignonne), on peut se demander ce qui se trouve à l’intérieur de ces étranges objets. Pour le savoir, il faudrait passer la « frontière » du trou noir (au sens géométrique, car ce n’est pas une membrane) que l’on appelle l’horizon des événements. Or, c’est justement le point de non-retour au-delà duquel aucun élément entrant dans le trou noir ne peut pas en ressortir.Si vous pouviez tomber dans un trou noir pour voir ce qui s’y trouve, que se passerait-il ? Vous n’auriez probablement pas le temps de voir grand-chose, car vous seriez étiré tel qu' un spaghetti (les scientifiques parlent d’ailleurs de spaghettification). Puisque rien n’échappe à un trou noir, il est impossible de savoir ce qui se trouve au centre de cet objet, dans ce que l’on appelle sa singularité.
Faute de pouvoir réellement approcher un trou noir, on peut utiliser des simulations pour mieux les connaître. On peut se demander ou va ce qui entre dans un trou noir ?Au fait, la matière qui entre dans le trou noir se retrouverait comprimée dans un même point central, une singularité gravitationnelle. Nos conceptions du temps et de l’espace s’effondrent dans cette singularité.

L'INFLUENCE DES TROUS NOIRS

L'ÉVOLUTION DES GALAXIES

• Les Trous Noirs Supermassifs : Les trous noirs supermassifs au centre des galaxies jouent un rôle crucial dans leur évolution. Ils influencent la formation des étoiles, la distribution de la matière et l'activité des galaxies.
• Émission d'énergie : Les trous noirs supermassifs peuvent émettre de l'énergie intense lorsqu'ils attirent la matière, créant des quasars(des objets célestes extrêmement lumineux et éloignés qui se trouvent au centre de certaines galaxies actives) et des noyaux actifs de galaxies

LA DISTORSION DU TEMPS

• Près d'un trou noir, la courbure de l'espace-temps est extrêmement importante. Le temps est affecté par cette courbure :
* Dilatation temporelle gravitationnelle : Le temps s'écoule plus lentement dans un champ gravitationnel fort. Si une personne était proche d'un trou noir, son temps s'écoulera plus lentement par rapport à une personne située loin du trou noir.
* Ralentissement du temps : Au fur et à mesure que l'on se rapproche de l'horizon des événements, le temps se ralentit de plus en plus, jusqu'à s'arrêter à l'horizon des événements

LES FORCES DE MAREES

Les forces de marée autour d'un trou noir sont un phénomène fascinant et puissant qui découle de la nature même de la gravité. Voici une explication simplifiée :
1. La Gravitation Non Uniforme :
• Un trou noir exerce une force gravitationnelle extrêmement intense. Cependant, cette force n'est pas uniforme.
• La partie du corps la plus proche du trou noir est attirée avec une force plus importante que la partie la plus éloignée. Cette différence de force gravitationnelle crée les forces de marée.
2. L'Effet d'Étirement :
• Imaginez un objet, comme un vaisseau spatial, s'approchant d'un trou noir. La partie du vaisseau la plus proche du trou noir est tirée plus fortement que la partie la plus éloignée.
• Cette différence d'attraction provoque un étirement du vaisseau, comme s'il était tiré de part et d'autre. Cet étirement s'intensifie à mesure que le vaisseau se rapproche du trou noir.
3. Les Forces de Marée Fatales :
• Si un objet est suffisamment proche du trou noir, les forces de marée deviennent extrêmement fortes, capables de déchirer des objets en morceaux.
• Ces forces sont appelées "forces de marée de rupture" ou "forces de marée spaghettification" car elles peuvent étirer un objet comme des spaghettis.


4. La Spaghettification :
• Imaginez un astronaute tombant vers un trou noir. Ses pieds, plus proches du trou noir, ressentiraient une force gravitationnelle plus forte que sa tête.
• Cet écart de force étirera l'astronaute verticalement, de plus en plus fin, jusqu'à ce qu'il soit réduit à un fin filament de matière. C'est la spaghettification.