LES OBJETS
RELATIVISTES.
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Je tiens à signaler que la plupart des images de cette page ont été créées par monsieur Norbert Rumiano.
Les étoiles à neutrons, ou pulsars.
Nous avons vu, dans le chapitre sur la mort des étoiles, les étoiles de plus de 6 masses solaires (Mo) meurent en une gigantesque explosion : une
supernova. Une fois l'explosion achevée, l'étoile n'est plus. Seul reste son noyau, hyperdense, formé en totalité de neutrons. En effet, la densité de ce noyau est telle (Un dé à coudre pèse
environ le poids d'une chaîne de montagne...) que la matière s'est intégralement "transformée" en neutron.
Le nouvel astre ainsi créé sur les décombres de l'ancienne étoile est appelé (on comprend pourquoi!) une étoile à neutron.
Ces astres, de la taille d'une petite lune, pèse le poids de plusieurs soleils. Résultat : une telle masse contenue dans un si petit volume ne peut que courber l'espace-temps. (Voir la page
intitulée "Introduction au objets relativistes"). Le champ gravitationnnel créé aux abords de ces astres est donc énorme, plusieurs milliers de fois celui du soleil.
Il en résulte des phénomènes "amusants", tel qu'une superbe distortion du temps. Aux abords de l'un de ces astres, le temps passe beaucoups plus lentement. Voici un exemple :
Lionel se promène sur une étoile à neutron (On fera abstraction de la gravité qui devrait l'aplatir sur le sol comme une crèpe). Il aperçoit une pomme sur le sol. "Oh la belle pomme rouge!", s'écrit-il. Il se
penche, la ramasse, la regarde et s'exclame : "Mince, maintenant elle est verte!". Alors, Lionel, on a des hallucinations? Pas du tout! En fait, la pomme est bel et bien verte. Mais le vert a une fréquence assez
élevée. Lorsque la pomme envoie sa couleur, qui n'est autre qu'un photon, la différence de champ gravitationnel entre les pieds de Lionel et sa tête fait que le temps s'écoule différement pour les chaussures que pour
la tête de Lionel. Le photon vert, parti de la pomme, va donc voir sa fréquence diminuer (ou sa longueur d'onde augmenter, c'est pareil), et Lionel verra la pomme rouge.
Ce phénomène est appelé décalage vers le rouge ( ou redschift ) gravitationnel.
Le premier pulsar fut découvert par Jocelyn Bell, en 1967. Les pulsars sont essentiellemnt composés de neutron, presque "collés" les uns aux autres. Leur densité est donc phénoménale. Mais ce qui les caractérise surtout,
c'est leur champ magnétique. Etant composés en quasi-totalité de neutrons, les pulsars possèdent un champ magnétique gigantesque. Il en résulte des émissions d'ondes et de matière le long de l'axe magnétique. Comme les
pulsars tournent à des vitesses fabuleuses, parfois jusqu'à 1000 tours par seconde, l'axe de rotation étant différent de l'axe magnétique, les pulsars peuvent être considérés comme les "phares de l'espace". Ils "arrosent"
ainsi régulièrement les mêmes points de l'espace d'ondes radios ou X.
Cependant, s'il est isolé, il va perdre de l'énergie sous forme de rayonnement. Sa rotation va se ralentir, il n'emettra plus que des ondes radios. Puis, il va s'éteindre. Mais
comme la mojorité des étoiles vivent en couple, notre pulsar est perpétuellement réaccéléré par son compagnon.
Parfois, ces astres ont un tel champ magnétique qu'on les nomme "magnétar".
Malgré tout cela, les pulsars restent très mal connus : on ne connaît pas leur âge, le pourquoi de ces émissions d'ondes si cohérentes... Toutes les étoiles à neutron ne sont pas des pulsars. Mais celles qui le sont promettent encore
des années de recherche.
Les trous noirs.
Lorsqu'une supergéante bleue est vraiment trop massive, son coeur s'effondre tellement qu'il devient plus qu'une étoile à neutron : un trou noir.
Si je vous demande "Dessine moi un trou noir" (C'est "Le Petit Prince" du futur), vous allez dessiner l'habituelle représentation de l'entonnoir. Mais cela, ce n'est pas le trou noir, ce n'est que se qu'il
produit sur l'espace-temps. Un trou noir, si on pouvait le voir, ressemblerait à une petite boule, de la taille d'une molécule ou d'un petit astéroide. A ceci prêt que notre trou noir de la taille d'une molécule aurait la
masse d'un sous-continent, et notre trou noir taille petit astéroide aurait la masse de plusieurs millions de soleils...
Une si grosse masse dans un si petit volume équivaut à une densité effroyable. Résultat : Notre ami ne fait pas que déformer légèrement l'espace-temps, il le défonce littéralement. D'où l'image de l'entonnoir. Tout corps qui
passera à sa proximité connaîtra un sort peu enviable : Si il a de la chance, sa géodésique passera assez loin du trou noir, et sa trajectoire ne sera que déviée (Voir la page sur les lentilles
gravitationnelles.
Notre fameux "entonnoir" peut être découpé en 2 parties : Un cône qui se connecte à un cylindre. La liaison entre les 2 porte le joli nom "d'horizon des évènements". Si la géodésique d'un objet coupe cette ligne, elle tournera
à l'intérieur du cylindre pour toujours. Tout ce qui dépasse cette limite, même la lumière ne ressortira plus jamais. Pourquoi ce nom d'horizon des évènements? Puisque rien ne peut ressortir de cet endroit,
une fois cette ligne franchie, il ne peut plus il y avoir de relations de causes et de conséquences entre ces 2 mondes. Tout ce qui se passe là-bas ne pourra jamais avoir la moindre conséquence sur notre monde et vice-versa.
Effets de la formation d'un trou noir sur l'espace-temps.
Cliquez ici pour avoir des comparaisons entre la masse d'un trou noir et la taille de son horizon.
Comment les détecter?
La matière "aspirée" par le trou noir tourne autour de lui en une gigantesque spirale avant de se faire avaler. La période de rotation de la dernière orbite n'est que de quelques millisecondes. A cette vitesse, la matière s'échauffe et
rayonne. Elle est tellement énergétique qu'elle émet des rayons X. Si, à l'aide de télescopes spatiaux vous observez une source de rayons X, vous observez sûrement un trou noir.
Si le trou noir a une étoile-compagnon, l'orbite excentrique de cette étoile révèle la présence d'un trou noir dans ses parrages.
D'après les équations de la relativité générale, un trou noir devrait émettre, lors de sa formation, des bouffées "d'ondes gravitationnelles". C'est un peu comme lorsque vous lâchez un caillou dans l'eau : des cercles concentriques apparaissent. Il doit normalement se passer la même chose ici, à part que l'espace-temps joue le rôle de l'eau.
Néanmoins, ces ondes gravitationnelles n'ont encore jamais été détectées, car trop faibles pour nos instruments actuels.
Parfois, seul la présence d'un trou noir permet d'expliquer certains phénomènes (Voir la page sur les
lentilles gravitationnelles
Voici quelques exemples de champs gravitationnels créés par différents corps à leur surface :
La Lune à sa surface : 1,6 N / Kg
La planète Mars à sa surface : 3,7 N / Kg
La Terre à sa surface : 9,8 N / Kg
Le Soleil à sa surface : 280 N / Kg
Un trou noir d'une masse de 2 x 1030Kg et de rayon 3 Km : 1,5 x 1013 N / Kg
Le rayon de Schwarchild.
Peu après la publication, en 1915 de la théorie de la relativité générale, Karl Schwarchild tente de résoudre ces équations dans le cas précis d'une masse sphérique statique. Il démontre alors que si elle est comprimée en deçà d'une sphère de rayon
inférieur à une certaine valeure critique (Le rayon de Schwarchild), les équations disjonctent : la variable temps s'élimine, l'espace devient infini et le puit gravitationnel sans fond. Un trou noir est donc un astre confiné dans un rayon inférieur à son rayon de
Schwarchild. Il en existe des quantités différentes : certain pèse un milliards de tonnes pour la taille d'un proton, d'autres plusieurs milliards de masses solaires pour un rayon de 60 UA.
La vitesse de libération d'un corps est la vitesse qu'il faut à un corps pour se libérer de l'attraction de ce corps. Sur Terre, la vitesse de libérartion est de l'ordre de 30 km/s. Un objet lancé à cette vitesse, ou à une vitesse supérieure ne retombera jamais.
(Nous faisons abstraction ici de la résistance de l'air). La vitesse de libération d'un trou noir est supérieure à celle de la lumière. Comme rien ne peut aller plus vite que la lumière, rien ne peut s'échapper d'un trou noir, pas même la lumière.
Voici un petit schéma explicatif :
Ce graphique représente la vitesse de libération, en km, pour différent en corps en fonction de leur masse ( Par rapport à la masse solaire ).
Voici le schéma classique du trou noir de schwarchild :
En rouge, la singularité, c'est à dire la sphère de matière hyper-dense qui courbe l'espac-temps. Distant de cette singularité d'1 rayon de Schwarchild, se situe l'horizon du trou noir. Tout corps ou toute radiation qui franchit cette limite ne pourra plus s'échapper.
A 1,5 rayon de Schwarchild du centre de la singularité, se situe une sphère de proton qui entoure le trou noir.
Trous noirs de Kerr.
En 1963, le mathématicien Roy Kerr propose une decription des trous noirs plus générale que celle de Schwarchild, car elle s'applique à l'effondrement d'un corps en rotation. Un trou noir de Kerr est caractérisé par 2 grandeurs : sa masse et son moment angulaire. Vue
les masses mises en jeu, un trou noir de Kerr détient un formidable réservoir d'énergie. Ce trou noir fait plus que defformer l'espace-temps : à cause de sa rotation, ils "enroulent" l'espace-temps autour d'eux-même.
Ceci est la représentation simplifiée et schématique d'un trou noir de Kerr. Dans ce modèle, il existe 2 sphères de protons. L'une, "corotative" tourne dans le même sens que le trou noir, l'autre, à l'extérieur, tourne dans le sens contraire.
Cliquez ici pour une superbe image d'un trou noir de Kerr
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Trous noirs chargés.
Un trou noir chargé est un trou noir porteur d'une charge électrique. Dans ce cas, la solution de Schwarchild ne s'applique plus. Le trou noir chargé "enroule" également l'espace-temps autour de lui, comme le trou noir de Kerr. Cependant, il est caractérisé par d'importants jets relativistes le long de son axe
de champ magnétique.
Dans ce modèle apparaît 2 horizons. L'ergosphère définit une zone au sein de laquelle l'espace-temps n'est quasiment pas modifié. Dans l'ergosphère, la terrible influence du trou noir ne se ferait plus sentir.
Rayonnement de Hawking.
M.Hawking, célèbre astrophysicien anglais, a découvert en 1974 le principe suivant : aux abords d'un trou noir, l'énergie est telle que des paires de particules/antiparticules peuvent apparaître spontanément à partir des fluctations quantiques du
vide. Ce phénomène se passe fréquement en dessous de la longueur de Planck. Ces particules sont des particules dites "virtuelles" : à peine créées, elles doivent s'annihiler l'une l'autre pour respecter le principe d'entropie. Seulement, comme ces particules cheminent un peu avant de s'annihiler
entre elles, il arrive que l'une d'entre elles soit happées par le trou noir. Problème : la particule "survivante" ne peut plus s'annihiler avec sa particule partenaire. Hawking a alors démontré que la particule rescapée s'éloigne du trou noir sans être happée, mais que de plus le trou noir lui donne un petit "coup de pouce" pour cela.
Cela a une conséquence très importante : du point de vue d'un observateur extérieur, c'est à dire nous, cela signifie que le trou noir rayonne. Un trou noir n'est donc pas totalement noir! Un trou noir possède ainsi une certaine température, puisqu'il rayonne. Cette température est très faible pour les trous noirs assez massifs, de l'ordre de
quelques millikelvins, mais énorme pour de petits trous noirs, de la masse d'un astéroide par exemple. Ce phénomène porte le nom d'évaporation quantique des trous noirs. Ce rayonnement est cependant trop faible pour être détecté avec les technologies actuelles.
Quelques images de trous noirs?
Les quasars
Quasar signifie "quasi-stellaire radio-source". Cela signifie que l'on ne sait pas trop ce que c'est. Les quasars observés sont tous situés a des millions, voire à des milliards d'années-lumières de nous, c'est-à-dire très loin dans l'espace, mais aussi dans le temps.
D'eux, nous ne savons pas grand chose. On les soupçonne d'être des trous noirs supermassifs, de plusieurs milliards de masses solaires. Des jets relativistes sont ainsi détectés à leur proximité. Ce serait des jets de particules accélérées par le champ magnétique du quasar à des vitesses proches de celle de la lumière,
et éjectées le long de l'axe magnétique.
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