Les Trous Noirs

 

Si nous lançons un objet en l'air, il s'élève, s'arrête puis retombe. Ceci est dû à une force que nous appelons « la force d'attraction ». C'est elle également qui nous retient à la surface du sol. Elle s'exerce absolument partout dans l'univers mais son intensité est très variable. Au 17e siècle c'est Isaac Newton qui a compris et exprimé le phénomène. Nous connaissons tous la légende de la chute de la pomme. En tout cas, il s'est demandé pourquoi la Lune restait en orbite autour de la Terre sans tomber sur celle-ci. De même, les planètes gravitent continuellement autour du Soleil. Il s'agit de la gravitation universelle dont la loi est la suivante:       

F = G.m1.m2/d2

F représente l’intensité de cette force.
G est la constante gravitationnelle. Elle est égale à 6,67 x 10-11 N.m2/kg2.
m1 et m2 représentent les masses de chaque corps.
d est la distance en ligne droite entre le centre des deux corps.


On constate donc que la puissance de cette force attractive est proportionnelle aux masses m1 et m2 des deux corps, inversement au carré de la distance d. Il en résulte que la puissance augmente avec le rapprochement des corps et l’importance de leurs masses.


Prenons l’exemple de la Lune. Sa masse est bien inférieure à celle de notre planète. La force d’attraction y est donc plus faible. Elle est d’environ le 1/6e que sur Terre. Autrement dit, un homme de 60 kg ici, ne pèsera qu’une dizaine de kg sur la Lune. D’ailleurs, souvenons-nous des images des missions Apollo où nous voyions les astronautes se déplacer d’une étrange manière, un peu comme dans un film au ralenti.


Malgré tout, il est possible de vaincre cette force. Revenons à l’objet que nous lançons en l’air et qui retombe. Pourquoi retombe t-il alors que la Lune ou des satellites ne retombent pas ? Et bien c’est parce que nous ne lançon pas notre objet assez fort. Preuve en est : plus fort nous le lancerons, plus haut il s’élèvera et plus il mettra de temps à retomber. Mais la force d’attraction vainc tout de même la nôtre. Il faut donc, pour s’en affranchir, lancer les objets à une très grande vitesse. C’est la « vitesse de libération » dont la formule est :


                       


G étant la constante gravitationnelle, M la masse de l’objet et R son rayon.


Si nous l’appliquons à la Terre, nous obtenons une vitesse de 11,2 km/s. C’est donc la vitesse que doit atteindre une fusée pour mettre un satellite en orbite, satellite qui lui-même doit respecter une certaine vitesse ( de l’ordre de 28 000 km/h) pour ne pas retomber sur Terre. Nous avons vu précédemment ce qui se passait à la surface de la Lune. La vitesse de libération à sa surface est de 2,4 km/s. Pour Jupiter, la plus grosse planète du système solaire, elle est de 59,5 km/s. Pour le Soleil, encore beaucoup plus massif, elle est de 617,5 km/s. On voit donc très bien que plus la masse d’un corps est élevée, et plus cette vitesse de libération est importante. Pour des étoiles géantes elle peut atteindre des milliers de km/s.


La vitesse la plus élevée que nous pouvons trouver dans l’univers est celle de la lumière dans le vide. Elle est de presque 300 000 km/s. Le Soleil émet ses chauds rayons lumineux dans toutes les directions, et donc vers la Terre. Puisque nous avons vu que la vitesse de libération à la surface du Soleil est de 617,5 km/s, un rayon lumineux qui se déplace à 300 000 km/s n’a donc aucune difficulté à s’en échapper. Le Soleil se situe à 150 millions de km de nous. Un rapide calcul nous montre donc qu’il faut environ 8 minutes pour que la lumière du Soleil nous parvienne. Autrement dit, nous ne pouvons voir le Soleil que tel qu’il était il y a 8 minutes. Si nous observons par exemple, la galaxie d’Andromède, distante de 2 millions d’années lumière, cela signifie qu’à la vitesse de 300 000 km/s il a fallu 2 millions d’années à la lumière qui s’en échappe pour nous atteindre. Nous la voyons donc telle qu’elle était il y a 2 millions d’années. En résumé, nous regardons donc le passé de l’univers.


Cependant, il y a des astres, bien que dans ces cas là le terme soit inapproprié, Qui ont une telle masse que pour s’en échapper, il faudrait atteindre des vitesses supérieures à celle de la lumière. Donc, même celle-ci reste prisonnière de ces monstres. Et si la lumière ne peut nous en parvenir, cela signifie que nous ne pouvons les voir. C’est la raison pour laquelle nous les appelons « trous noirs ». Ils attirent tout ce qui se trouve à leur portée, à cause de la force d’attraction, mais rien ne peut en émaner. Alors, direz-vous, si nous ne pouvons les voir, comment savons nous qu’ils existent ? Et bien en fait, ce n’est effectivement pas le trou noir lui-même que nous observons, mais les effets qu’il cause dans son environnement.


D’où proviennent ces étranges « objets » ? La réponse est : d’une étoile morte ! Imaginons une étoile au moins huit fois plus massive que le Soleil. Comme toutes les étoiles elle transforme l’hydrogène en hélium, c’est sa fonction. La vitesse de libération y serait d’environ 1000 km/s. Mais petit à petit, son « carburant » s’épuise, tout comme dans votre voiture. Sauf que là il n’y a pas moyen de refaire le plein. Lorsque le combustible de cette étoile sera épuisé, elle va s’effondrer sous le poids de sa propre gravité car l’équilibre gravitationnel est rompu. Dans ce même temps elle va diminuer de volume, alors que sa masse reste identique. La vitesse de libération va donc augmenter puisque nous savons que celle-ci dépend non seulement de la masse mais aussi du rayon de l’astre. Au bout d’un certain temps, lorsque son rayon n’atteindra plus que quelques kilomètres, la vitesse de libération atteindra celle de la lumière. Ensuite, le champ gravitationnel de l’étoile sera tel que même la lumière ne possède pas la vitesse requise pour s’échapper.
Nous pouvons donc définir un trou noir comme une région de l’espace-temps issue de l’effondrement gravitationnel d’une étoile de masse donnée.
On caractérise un trou noir par un « horizon » de forme sphérique et qui est la limite à partir de laquelle rien ne peut s’échapper. Son rayon vaut : R = .

C représentant la vitesse de la lumière. On l’appelle « rayon de Schwarzschild ». Il est à peu près acquis qu’au centre de la plupart des galaxies, y compris la nôtre, se trouve un trou noir très massif. Des décalages spectraux (effet Doppler) et certains types de rayonnement le démontrent.

 

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