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LE TRIOMPHE DE LA GRAVITATION
Episode 2 Par Marcel BESNIER Dans le précédent cosmos express nous avons laissé la gravitation au prise avec la matière dégénérée dune étoile à neutrons. Nous lavons vu, le grand allié de la gravitation, cest la masse. Il y aura donc une limite pour la masse de ces résidus stellaires au-delà de laquelle ils seffondreront sur eux-mêmes pour donner les objets les plus fascinants de lunivers : les trous noirs. Ce concept nest pas nouveau ; en 1796 le mathématicien astronome Pierre Simon Laplace associa lidée de vitesse finie de la lumière avec celle de vitesse de libération pour supputer lexistence de corps si massifs que même la lumière ne pourrait le quitter. Il calcula quune étoile qui serait 250 fois plus grosse que le soleil et en même temps aussi dense que la terre ne laisserait pas sortir ses rayons lumineux et serait donc invisible. La vitesse de libération est la vitesse au-dessus de la quelle tout projectile, quelle que soit sa nature, est libéré de la pesanteur terrestre. Elle se calcule en fonction de la masse de la planète et de son rayon : plus grande est la masse de lastre considéré, plus grande sera sa vitesse de libération, et, pour une masse donnée, la vitesse de libération est dautant plus élevée que le rayon de lastre est petit. Ainsi elle est de 11.2 km/s à la surface de la terre, 620 km/s à la surface du soleil mais atteint plusieurs milliers de km/s sur une naine blanche dune masse solaire dont le rayon ne dépasse pas 10 000km. Cest donc à partir de la simple notion de vitesse de libération que fut élaboré le concept, infiniment plus complexe, de trous noirs. Voyons un peu de quel bois se chauffe un astre capable de retenir la lumière dans ses filets, pour cela revenons à notre étoile à neutrons : La limite de la masse des étoiles à neutrons nest pas connue avec précision comme dans le cas des naines blanches, on lévalue à environ 3 masses solaires pour un diamètre de 10 km. Au-delà la pression de dégénérescence des neutrons est incapable de résister à leffondrement gravitationnel. Cette fois plus rien ne peut arrêter la contraction de létoile sur elle-même jusqu'à un point de volume nul et de densité infinie. Cest ce que les astrophysiciens appellent une singularité , faute de pouvoir expliquer le phénomène avec leurs outils habituels. En effet la physique traditionnelle, en particulier la relativité générale dEinstein, résout très bien les problèmes de gravitation à grande échelle et la mécanique quantique décrit linfiniment petit des particules. Or pour comprendre ce qui se passe dans la singularité, il faudrait une théorie quantique de la gravitation qui nest pas encore élaborée. Un trou noir ne se résume pas à un point, il na pas de surface rigide comme une étoile à neutron mais possède un horizon. Cest la limite après laquelle toute chose, matière ou rayonnement, se trouve irrésistiblement attirée vers la singularité sans aucun espoir de revoir le jour. En 1915 un astrophysicien allemand, Karl Schwarzschild, sintéressa à cette limite et calcula la distance critique : R = 2GM / C2. G est la constante de gravitation, M la masse du corps considéré et C la vitesse de la lumière. Ce rayon critique est donc uniquement proportionnel à la masse, cest une des caractéristiques des trous noirs doublier la nature des choses et de conserver uniquement leur masse. Ce rayon de Schwarzschild est donc la dimension critique dun objet en dessous de laquelle la vitesse de libération, à sa surface, est égale à celle de la lumière. Ainsi pour toute chose il existe un rayon de schwarzschild : Pour la terre, dont la masse est de 10 25kg, ce rayon est de 1 cm, pour le soleil avec 1030 kg il est de 1 km et pour une galaxie de 1011 masses solaires il est de 0.01 al. On peut également le calculer pour un homme de 100 kg, il serait de 10-23 cm. Un trou noir isolé est bien sûr indétectable, par contre sil se trouve à proximité dune étoile, il lui arrache sans cesse des matériaux qui forme un disque daccrétion chauffé à plusieurs millions de degrés. La matière en tombant dans le maelström émet des bouffées de rayons X parfaitement détectables par nos satellites. Cest ainsi que fut trouvée, en 1965, une source de rayons X dans le cygne grâce à un détecteur embarqué à bord dune fusée. On baptisa cet objet Cygnus X-1. Par la suite il savéra que lon était en présence dun trou noir de 7 masses solaires en orbite très serrée autour dune étoile de type O de 30 masses solaires. Cygnus X-1 tourne à seulement 30 millions de km de la super géante en moins de 6 jours. Cest le premier candidat trou noir officiellement reconnu.Il existe également des trous noirs géants, de plusieurs millions de masses solaires dans le cur de nombreuses galaxies à commencer par la notre. Le bulbe de la voie lactée recèle un tel monstre : Sagittarius A pour les intimes. La gravitation est donc la grande gagnante de lhistoire, elle à réussi à vaincre notre physique et notre compréhension Heureusement il nous reste limagination et là nous sommes imbattables. |
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