Un trou noir est un phénomène spatial de proportions extrêmement élevées (généralement plus grand que le soleil) et de masse extrêmement compact, résultant en un champ gravitationnel si fort qu'aucune particule ou rayonnement parvient à sortir.
Puisque même la lumière est aspirée, la présence d'un trou noir est mise en évidence par des conséquences gravitationnelles observables. dans son environnement, en particulier par les changements d'orbite des corps célestes proches, qui commencent à être attirés par le trou noir.
De plus, les astronomes et les scientifiques affirment qu'un trou noir peut être observable en raison de son émission de lumière.
Première image d'un trou noir
Première image d'un trou noir de 40 milliards de kilomètres de diamètre situé dans la galaxie M87, à 50 millions d'années-lumière de la Terre. Photo: événement du télescope Horizont.
La première image d'un trou noir a été diffusée en avril 2019 lors d'une conférence à Bruxelles. Il a été trouvé, après 2 ans d'observation et de recherche, par le projet international Event Horizon Telescope (EHT), qui regroupe près d'une dizaine de radiotélescopes dans le monde, de l'Europe au Pôle Sud.
Sur l'image, la seule partie visible du trou noir est le cercle d'or, appelé par les astronomes "horizon des événements" (horizon des événements en portugais) ou "point de non-retour".
Au centre de l'horizon des événements, il y a une masse volumique incalculable, appelée singularité. La gravité de ce point est si forte qu'aucun objet environnant ne peut s'échapper.
En théorie, seul quelque chose se déplaçant plus vite que la vitesse de la lumière pourrait résister au champ gravitationnel d'un trou noir. Pour cette raison, il n'est pas possible de savoir avec certitude ce qui arrive à la matière qui est aspirée.
Comment se forme un trou noir ?
Les trous noirs sont formés à partir d'effondrements gravitationnels de corps célestes. Ces phénomènes se produisent lorsque la pression interne d'un corps (généralement des étoiles) est insuffisante pour maintenir sa propre masse. Ainsi, lorsque le noyau de l'étoile s'effondre à cause de la gravité, le corps céleste explose en libérant d'énormes quantités d'énergie lors d'un événement connu sous le nom de supernova.
Image représentative d'une supernova.
Au cours d'une supernova, en une fraction de seconde, toute la masse de l'étoile est comprimée dans son noyau alors qu'elle se déplace vers le environ 1/4 de la vitesse de la lumière (en fait, c'est à ce moment précis que les éléments les plus lourds de l'univers sont créé).
Ensuite, l'explosion donnera lieu à une étoile à neutrons ou, si l'étoile est assez grosse, le résultat sera la formation d'un trou noir, dont la quantité astronomique de masse concentrée crée le champ gravitationnel susmentionné. Dans celui-ci, la vitesse d'échappement (la vitesse nécessaire pour qu'une particule ou un rayonnement résiste à l'attraction) doit être, au moins, supérieure à la vitesse de la lumière.
Quelle est la taille d'un trou noir ?
Les trous noirs sont de tailles différentes. Les plus petits connus de la science sont appelés trous noirs primordiaux et auraient la taille d'un atome mais la masse totale d'une montagne.
Les trous noirs moyens (dont la masse est jusqu'à 20 fois la masse totale du soleil) sont appelés stellaires. Dans cette catégorie, le plus petit trou noir découvert est 3,8 fois la masse solaire.
Les plus grands trous noirs répertoriés sont appelés supermassifs, souvent trouvés au centre des galaxies. À titre d'exemple, au centre de la Voie lactée se trouve Sagittaire A, un trou noir d'une masse équivalente à 4 millions de fois la masse du soleil.
Jusqu'à présent, le plus grand trou noir connu s'appelle S50014+81, dont la masse est quarante milliards de fois la masse du soleil.
Types de trous noirs
Le physicien théoricien allemand Albert Einstein a formulé un ensemble d'hypothèses liées à la gravitation qui a servi de base à l'émergence de la physique moderne. Cet ensemble d'idées a été nommé Théorie de la relativité générale, dans laquelle le scientifique a fait plusieurs observations révolutionnaires sur les effets gravitationnels des trous noirs.
Pour Einstein, les trous noirs sont des « déformations de l'espace-temps causées par la quantité massive de matière concentrée ». Ses théories ont favorisé des progrès rapides dans le domaine et ont permis la classification de différents types de trous noirs :
Trou noir de Schwarzschild
Les trous noirs de Schwarzschild sont ceux qui n'ont pas de charge électrique et n'ont pas non plus de moment angulaire, c'est-à-dire qu'ils ne tournent pas autour de leur axe.
Kerr trou noir
Les trous noirs de Kerr n'ont pas de charge électrique mais tournent autour de leur axe.
Trou noir de Reissner-Nordstrom
Les trous noirs de Reissner-Nordstrom portent une charge électrique mais ne tournent pas autour de leur axe.
Trou noir Kerr-Newman
Les trous noirs de Kerr-Newman portent une charge électrique et tournent autour de leur axe.
En théorie, toutes sortes de trous noirs finissent par devenir des trous noirs de Schwarzschild (statiques et non chargés) lorsqu'ils perdent suffisamment d'énergie et cessent de tourner. Ce phénomène est connu sous le nom Processus de Penrose. Dans de tels cas, la seule façon de différencier un trou noir de Schwarzschild d'un autre est de mesurer sa masse.
Structure d'un trou noir
Les trous noirs sont invisibles car leur champ gravitationnel est incontournable même pour la lumière. Ainsi, un trou noir a l'apparence d'une surface sombre sur laquelle rien ne se reflète et il n'y a aucune preuve de ce qui arrive aux éléments qui y sont aspirés. Cependant, à partir de l'observation des effets qu'ils provoquent dans leur environnement, la science structure les trous noirs en horizon des événements, singularité et ergosphère.
Horizon de l'événement
La limite du champ gravitationnel du trou noir à partir de laquelle rien n'est observé est appelée l'horizon des événements ou point de non retour.
Représentation graphique d'un horizon des événements, fourni par la NASA, dans lequel une sphère parfaite est observée à partir de laquelle aucune lumière n'est émise.
Bien qu'il ne s'agisse en fait que de conséquences gravitationnelles, l'horizon des événements est considéré comme faisant partie de la structure d'un trou noir car c'est le début de la zone observable du phénomène.
Sa forme est connue pour être parfaitement sphérique dans les trous noirs statiques et oblique dans les trous noirs en rotation.
Parce que dilatation gravitationnelle du temps, l'influence que la masse du trou noir exerce sur l'espace-temps fait que l'horizon des événements, même en dehors de sa portée, a les effets suivants :
- Pour un observateur éloigné, une horloge proche de l'horizon des événements se déplacerait plus lentement qu'une horloge plus éloignée. Ainsi, tout objet aspiré dans le trou noir semblerait ralentir jusqu'à ce qu'il semble être paralysé dans le temps.
- Pour un observateur distant, l'objet s'approchant de l'horizon des événements prendrait une teinte rougeâtre, conséquence de phénomène physique connu sous le nom de redshift, car la fréquence de la lumière est réduite par le champ gravitationnel du trou noir.
- Du point de vue de l'objet, le temps passerait à un rythme accéléré pour l'univers entier, tandis que pour vous, le temps passerait normalement.
Singularité
Le point central d'un trou noir, où la masse de l'étoile est devenue infiniment concentrée, est appelé une singularité, dont on sait peu de choses. En théorie, la singularité contient la masse totale de l'étoile effondrée, plus la masse de tous les corps aspirés par le champ gravitationnel, mais elle n'a ni volume ni surface.
Ergosphère
L'ergosphère est une zone qui entoure l'horizon des événements dans des trous noirs en rotation, dans laquelle il est impossible pour un corps céleste de rester stationnaire.
Toujours selon la relativité d'Einstein, tout objet en rotation a tendance à attirer l'espace-temps près de lui. Dans un trou noir en rotation, cet effet est si fort qu'il faudrait qu'un corps céleste se déplace dans la direction opposée à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière pour rester stationnaire.
Il est important de ne pas confondre les effets d'ergosphère avec les effets d'horizon des événements. L'ergosphère n'attire pas les objets avec le champ gravitationnel. Ainsi, tout ce qui entre en contact avec lui ne sera déplacé que dans l'espace-temps et ne sera attiré que s'il traverse l'horizon des événements.
Les théories des trous noirs de Stephen Hawking
Stephen Hawking était l'un des physiciens et cosmologistes les plus influents des 20e et 21e siècles. Parmi ses nombreuses contributions, Hawking a résolu plusieurs théorèmes proposés par Einstein que contribué à la théorie selon laquelle l'univers a commencé dans une singularité, renforçant encore la appel La théorie du Big Bang.
Hawking croyait également que les trous noirs ne sont pas complètement noirs mais émettent de petites quantités de rayonnement thermique. Cet effet était connu en physique comme Rayonnement Hawking. Cette théorie prédit que les trous noirs perdraient de la masse avec le rayonnement libéré et, dans un processus extrêmement lent, rétréciraient jusqu'à ce qu'ils disparaissent.
Voir aussi :
- Théorie de la relativité
- La gravité
- Big Bang
