Que fait un trou noir?
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Un trou noir est un objet astrophysique dont la relativité générale dit qu'il est provoqué par une masse suffisamment concentrée pour qu'elle ne cesse de s'effondrer sur elle-même du fait de sa propre gravitation, arrivant même à se concentrer en un point appelé singularité gravitationnelle. Les effets de la concentration de cette masse permettent de définir une sphère, appelée "l'horizon des évènements du trou noir", dont aucun rayonnement et aucune matière ne peut s’échapper. En effet, sa masse est telle, que même la lumière et ses photons ne peut échapper à son attraction gravitationnelle et parvenir à notre rétine (ou tout appareil d'observation). La vitesse de libération d'un trou noir n'étant pas atteignable par la lumière dont la vitesse est une constante physique indépassable, on convient qu'il est impossible d'échapper à l'attraction gravitationnelle d'un trou noir. Cette sphère est centrée sur la singularité et son rayon ne dépend que de la masse centrale ; elle représente en quelque sorte l’extension spatiale du trou noir. À proximité de cette sphère, les effets gravitationnels sont observables et extrêmes.
Trou noir
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La légende raconte qu'au Moyen Âge, à Notre-Dame-de-Londres, un apprenti chaudronnier chercha à s'empoisonner après que sa chèvre Pacol (se prononce "Pochoil") soit tombé dans un ravin. Le mage des montagnes lui affirma que l'absorption d'une liqueur de pomme de terre (vodka) le tuerai d'une tuberculose foudroyante; il s'en procura donc une bouteille dans laquelle il fit rentrer une pomme d'amour, symbole de l'importance et début l'amour qu'il portait à Pacol, puis la but d'une traite. Le lendemain matin, l'apprenti chaudronnier se réveilla bien vivant, mais incapable de se souvenir de ce qu'il avait fait la veille. Aujourd'hui encore, le cocktail a gardé ses vertus amnésiques, d'où le nom "trou noir" qui lui a été attribué. Il est connu surtout dans le sud de la France, où la tradition veut que le buveur dise « trou noir » avant de boire son shooter.
Trou noir (cocktail)
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Un trou blanc (en anglais : '), aussi appelé fontaine blanche ('), est un objet théorique susceptible d'exister au sens où il peut être décrit par les lois de la relativité générale, mais dont l'existence dans l'Univers est considérée comme hautement spéculative. Il est décrit par certaines solutions mathématiques de type trou noir dans lequel des géodésiques sont issues d'une singularité gravitationnelle ou d'un horizon. Il forme ainsi le symétrique par rapport au temps d'un trou noir, puisque dans un cas rien ne peut s'échapper d'un trou noir, et dans l'autre rien ne peut pénétrer dans une fontaine blanche. Techniquement, cela s'exprime par le fait que la singularité gravitationnelle qui existe au sein de ces objets est dans le futur de l'horizon qui l'enveloppe (trou noir), ou dans son passé (trou blanc).
Trou blanc
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Pour un observateur extérieur s’approchant de l'horizon, ce sont les effets de marée qui deviennent importants. Ces effets, qui déterminent les déformations d’un objet (le corps d’un astronaute, par exemple) du fait des hétérogénéités du champ gravitationnel, sont inéluctablement ressentis par un observateur s’approchant près d’un trou noir ou d’une singularité. La région où ces effets de marée deviennent importants est entièrement située dans l’horizon, pour les trous noirs supermassifs, mais empiète notablement hors de l’horizon pour des trous noirs stellaires. Ainsi, un observateur s’approchant d’un trou noir stellaire serait déchiqueté avant de passer l’horizon, alors que le même observateur qui s’approcherait d’un trou noir supermassif passerait l’horizon sans encombre. Il serait tout de même inéluctablement détruit par les effets de marée en s’approchant de la singularité.
Trou noir
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La subtilité de ce cocktail repose dans l’alchimie des goûts, des températures et des couleurs. Ce cocktail ne se frappe pas, il se boit classiquement d’un trait (ou en deux) en laissant le verre à la bouche penché. Ainsi, après la vodka et la pomme glacé vient le caramel chaud qui apaise la bouche et la gorge, laissant un goût sucré.
Trou noir (cocktail)
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Le rayon d'un trou noir est proportionnel à sa masse : environ par masse solaire pour un trou noir de Schwarzschild. À une distance interstellaire (en millions de kilomètres), un trou noir n’exerce pas plus d’attraction que n’importe quel autre corps de même masse ; il ne s’agit donc pas d’un irrésistible. Par exemple, si le Soleil se trouvait remplacé par un trou noir de même masse, les orbites des corps tournant autour (planètes et autres) resteraient pour l'essentiel inchangées (seuls les passages à proximité de l'horizon induiraient un changement notable). Il existe plusieurs sortes de trous noirs. Lorsqu’ils se forment à la suite de l’effondrement gravitationnel d’une étoile massive, on parle de "trou noir stellaire", dont la masse équivaut à quelques masses solaires. Ceux qui se trouvent au centre des galaxies possèdent une masse bien plus importante pouvant atteindre plusieurs milliards de fois celle du Soleil ; on parle alors de "trou noir supermassif" (ou trou noir galactique). Entre ces deux échelles de masse, il existerait des "trous noirs intermédiaires" avec une masse de quelques milliers de masses solaires. Des trous noirs de masse bien plus faible, formés au début de l’histoire de l’Univers, peu après le , sont aussi envisagés et sont appelés "trous noirs primordiaux". Leur existence n’est, à l’heure actuelle, pas confirmée.
Trou noir
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Le rayonnement de Hawking correspond en fait à un spectre de corps noir. On peut donc y associer la « température » du trou noir, qui est inversement proportionnelle à sa taille. De ce fait, plus le trou noir est important, plus sa température est basse. Un trou noir de la masse de la planète Mercure aurait une température égale à celle du rayonnement de fond diffus cosmologique (à peu près ). Si le trou noir est plus massif, il sera donc plus froid que la température du fond et accroîtra son énergie plus vite qu’il n’en perdra "via" le rayonnement de Hawking, devenant ainsi encore plus froid. Un trou noir stellaire a ainsi une température de quelques microkelvins, ce qui rend la détection directe de son évaporation totalement impossible à envisager. Cependant, pour des trous noirs moins massifs, la température est plus élevée et la perte d'énergie associée lui permet de voir sa masse varier sur des échelles cosmologiques. Ainsi, un trou noir de quelques millions de tonnes s’évaporera-t-il en une durée inférieure à celle de l'âge de l'Univers. Alors que le trou noir s'évapore, il devient plus petit, et donc plus chaud. Certains astrophysiciens ont proposé que l'évaporation complète de trous noirs produirait un flash de rayons gamma. Ceci serait une signature de l'existence de trous noirs de très faible masse. Il s'agirait alors de trous noirs primordiaux. La recherche actuelle explore cette possibilité avec les données du satellite européen International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL).
Trou noir
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Si un trou noir est capable de rayonner, ce n’est pas pour autant que ce rayonnement contient une information sur le trou noir. La particule émise peut être quelconque tant que sa longueur d’onde est supérieure au quart de la circonférence du trou noir (celle de l’horizon des événements). En fait, en absorbant tout jusqu’à la lumière, le trou noir devient une censure cosmique comme le disait Penrose, ne libérant aucune information sur ses propriétés. Du moins Hawking le pensait à l’époque. Mais cela n’étant qu’une solution théorique tirée de ses calculs, il fait le pari avec Kip Thorne contre John Preskill que les trous noirs constituent la phase terminale de l’univers et emprisonnent à jamais tout ce qui passe à leur proximité sans libérer la moindre information. Le , il reconnait avoir perdu son pari et admet, avec Leonard Susskind, que l’information apparemment captive pourrait rester concentrée sur l’horizon d’un trou noir, donc sur une surface, par analogie avec un hologramme qui concentre une information sur une image à trois dimensions, également sur une surface.
Stephen Hawking
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Par comparaison avec un trou noir stellaire, la densité moyenne d’un trou noir supermassif peut en fait être très faible (parfois plus faible que celle de l’eau). Cela s’explique par le fait que le rayon de Schwarzschild du trou noir croît proportionnellement à la masse, ce qui induit que la densité moyenne à l'intérieur de son rayon de Schwarzschild décroît selon le carré de sa masse. Plus le trou noir est grand, moins sa densité moyenne est grande, même si sa masse croît sans limite. Ainsi, la masse volumique d'un trou noir de solaires est comparable à celle de l'eau. Pour se représenter un tel trou noir, on peut imaginer une boule d'eau de de kilomètres de rayon, s'étendant donc du Soleil jusqu'à la ceinture d'astéroïdes. Une telle boule, si elle existait, s'effondrerait sous l'effet de sa propre gravité pour former un trou noir d'un rayon de Schwarzschild égal à son rayon initial. Un trou noir de solaires aurait la masse volumique de l'air et un rayon de de kilomètres. Le trou noir M87* a une masse de l'ordre de solaires et un rayon de de kilomètres ; son diamètre est donc de de kilomètres, ou ; comme il est situé à d'années-lumière de la Terre, son diamètre apparent serait de (microsecondes d'arc). Son ombre, enregistrée par la collaboration "", a un diamètre de l'ordre de .
Trou noir supermassif
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Les trous noirs dans des systèmes binaires serrés sont observables indirectement par le transfert de matière qui s'effectue depuis leurs compagnons stellaires. Un disque d'accrétion se forme autour du trou noir. Ce disque peut provoquer l'apparition de jets relativistes qui semblent parfois avoir une vitesse supraluminique (c'est en fait un effet de projection). L'énergie dégagée par l'échauffement de la matière sur le disque d'accrétion (qui atteint des températures de plusieurs milliards de degrés) provoque un fort rayonnement X. On parle alors de binaires à rayons X. L'étude du mouvement orbital du système, ainsi que la détermination de son angle d'inclinaison, permettent de calculer les masses des deux composantes et ainsi celle du trou noir.
Trou noir stellaire