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Le trou noir Rappel historique (I)
Le trou noir, celui dont on parle dans les clubs d'astrophysique et de cosmologie sans jamais le voir. L’univers ne se résume pas aux trous noirs mais cet astre apparaît de façon récurrente dans l’univers dès qu’un corps est soumis à un champ gravitationnel extrêmement intense. Le trou noir marque la mort de certaines étoiles massives, il est vraisemblablement à l’origine du rayonnement de nombreuses radiosources, il participe à la composante de la matière sombre et est considéré comme l’un des seuls astres de l’univers qui une fois né ne disparaît plus jamais de la scène. Avec un tel palmarès vous conviendrez qu’il est difficile de rester indifférent en sa présence et qu’il mérite un hommage tout particulier à l'image de la "superstar" qu'il est dans tous les sens du terme. Nous allons expliquer ces postulats et tenter de les démontrer en prenant des exemples concrets parmi les événements qui se manifestent aujourd’hui dans l’univers. Avant de décrire les faisceaux d’indices probants qui tentent à démontrer que les trous noirs existent, nous devons tout d’abord définir ce qu’ils représentent physiquement parlant et comment les astrophysiciens en sont venus à élaborer ce concept. Comment tout cela a-t-il commencé ? Le révérend John Michell, géologue et astronome amateur anglais - mais loin d'être un amateur par la qualité de ses travaux - eut l'idée du trou noir en 1783. En effet, c'est le 26 mai 1783 qu'il écrivit une lettre à Cavendish, suite à une rencontre antérieure à Londres, où il lui avait déjà exposé ses idées. A la demande de Michell, cette lettre fut lue devant l'auditoire de la Royal Society de Cambridge (dont Michell et Cavendish étaient tous deux membres) le 27 novembre 1783. Devant ce prestigieux auditoire de scientifiques, Michell suggéra que "les particules de lumières étaient attirées de la même façon que les autres corps". A partir de cette hypothèse fondamentale, il formula pour la première fois le concept de trou noir : "Si disait-il, le demi grand-axe d’une sphère de même densité que le Soleil dépassait le rayon de celui-ci dans une proportion de 1 à 500, alors un corps, tombant d’une hauteur infinie vers lui, aurait acquis à sa surface une plus grande vitesse que celle de la lumière, et par conséquent, en supposant que la lumière soit attirée par la même force en proportion de sa force d’inertie, comme d’autres corps, toute la lumière émise par un tel corps y retournerait, par sa propre gravité". Il expliquait que malgré le fait que ces corps étaient invisibles, ils devaient provoquer des effets gravitationnels décelables : "s’il arrivait que quelque autre corps lumineux tourne autour d’eux, des mouvements de ces corps tournants, nous pourrions peut-être encore déduire l’existence du corps central avec quelque degré de probabilité; cela pourrait aussi bien nous apporter une indication concernant quelques unes des irrégularités des corps tournants, qui ne serait pas aisément explicable par aucune autre hypothèse". La Royal Society publia la vingtaine de pages que représentait l'article dans ses "Philosophical Transactions" en 1784[1]. Mais la thèse de Michell restait trop abstraite et ne recevra aucun écho.
Il faudra attendre 1796
pour que le marquis Pierre Simon de Laplace, mathématicien, philosophe et
astronome passionné par la mécanique céleste et la gravitation redécouvre
cette idée. Il écrivait dans son Exposition du Système du Monde :
"Un astre lumineux, de la même densité que la Terre, et dont le diamètre
serait 250 fois plus grand que le Soleil, ne permettrait, en vertu de son
attraction, à aucun de ses rayons de parvenir jusqu'à nous. Il est dès
lors possible que les plus grands corps lumineux de l'univers puissent,
par cette cause, être invisibles". Il présentera sa thèse
devant l'auditoire de l'Académie des Sciences mais ceux-ci resteront
sceptiques sur les chances d'existence d'un tel objet. Ainsi naquit le
concept du trou noir mais la démonstration mathématique de Laplace
semblait fantaisiste aux yeux des astronomes. Le trou noir restera encore dans l'obscurité durant plus d'un siècle. Il réapparut au XXeme siècle, lorsque Einstein posa les principes de la relativité générale. En 1916, Karl Schwarzschild découvre que cette théorie permet l'existence de singularités sphériques et statiques, immobiles, prenant le cas théorique d'une masse infinie effondrée en un point. Il calcula la courbure de l'espace-temps dans ces conditions, à savoir la distorsion du temps et le rayon minimum sous lequel la matière piégerait le rayonnement ad vitam aeternam. En 1918, les physiciens Heinrich Reissner et Gunnar Nordstrom révélèrent que si la matière avait une charge électrique - matière d'origine non stellaire, sinon elle serait électriquement neutre en raison de l'attraction des charges opposées - la charge serait conservée sous la forme d'un champ électrique qui se propagerait autour de la singularité. C'est alors que cette entité sortit tout droit des équations de Robert Oppenheimer et Hartland Snyder[2]. Tous deux démontrèrent l'existence des singularités en 1939, concluant : "Quand toutes les sources d'énergies thermonucléaires seront épuisées, une étoile suffisamment massive s'effondrera"; c'est le trou noir statique de Schwarzschild.
Le mathématicien néo-zélandais Roy Kerr démontra en 1963 qu'une singularité conservait le moment cinétique d'une étoile en rotation qui s'effondrait. Cela signifiait que si une singularité tournait sur elle-même comme une toupie, elle changerait de forme et deviendrait un anneau de densité infinie : c’est le trou noir de Kerr. Il prévoyait également une ergosphère autour de la singularité, une région dans laquelle la matière peut s'évader si elle est animée d'une vitesse proche de celle de la lumière.
C'est le physicien John Archibald Wheeler de l'Université de Princeton qui, en 1967, dénomma "trou noir" une telle singularité et l'enveloppe qui l'entoure. En 1963, lorsque Stephen Hawking fit son premier séminaire sur le sujet à Paris, sa théorie n'eut pas un gros succès. Les Français n'appréciaient pas le nom qui avait une connotation sexuelle douteuse et auraient bien aimé appeler cet objet '“astre occlus” en hommage à Laplace. Le terme anglais entra dans l'histoire et sera traduit mot pour mot dans toutes les langues. Avec le recul, il traduit bien le caractère mystérieux qui recouvre cette entité : elle est à la fois cachée à nos regards au sens strict et provoque un grand impact d'un point de vue psychologique. John Wheeler n'est pas à sa première réflexion du genre. On le connaît pour avoir dit dans le même ordre d'idée "Le temps est ce qui empêche tout de se produire une seule fois" et quelques autres expressions cocasses sur lesquelles nous reviendrons. Cette notion de temps nous sera très utile par la suite, non seulement à propos des trous noirs mais également en thermodynamique (théorie du chaos) ou en mécanique céleste, autant de sujets que nous prendrons... le temps d'approfondir dans d'autres pages. Propriétés Loin d'avoir un impact mystique ou dramatique sur les astrophysiciens, astronomes du visible ou de l’invisible, l'étude des trous noirs est fascinante et mérite bien le détour. Le trou noir est un objet théorique dont nous trouvons l'origine dans le produit final de l'effondrement gravitationnel d'une étoile. Cette évolution peut se produire pour une étoile dont le coeur présente une masse supérieure à environ 3 M¤[3], soit plus de 20 M¤ sur la Séquence principale.
Cette faible valeur semble être une fantaisie car il existe des millions
et des milliards d'étoiles entrant dans cette catégorie, mais les travaux des
physiciens ont démontré que lorsque le champ gravitationnel d'une telle
étoile atteint une certaine grandeur et est fortement variable, il induit
des phénomènes physiques totalement nouveaux. Il est si puissant qu'il
agit sur le rayonnement au point de l'empêcher de s'échapper. Cet astre
singulier est parvenu à un point de non retour, c'est la "singularité
de Schwarzschild"[4]. A voir : Simulation de l'orbite d'un corps autour d'un objet massif Applet Java réalisé par John Walker, Fourmilab
En pratique seules les étoiles massives sont concernées par cet effondrement stellaire. Mais en théorie, si toute la masse d'un astre était comprimée dans une minuscule sphère, elle pourrait se transformer en trou noir. Ainsi, ce rayon critique serait de 3 km pour le Soleil et 9 mm pour la Terre ! Imaginez-vous un système binaire constitué de ces deux minuscules trous noirs : une Terre réduite à une punaise tournant à 150 millions de kilomètres d’une petite astre invisible de 6 km de diamètre... Un couple surréaliste ! Mais revenons à notre étoile en train de s'effondrer. Prochain chapitre
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