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Qu'est-ce qu'un trou noir?

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Question: Qu'est-ce qu'un trou noir?

Qu'est-ce qu'un trou noir? Quand se forment les trous noirs? Les scientifiques peuvent-ils voir un trou noir? Quel est "l'horizon des événements" d'un trou noir?

Répondre: Un trou noir est une entité théorique prédite par les équations de la relativité générale. Un trou noir se forme lorsqu'une étoile de masse suffisante subit un effondrement gravitationnel, la majeure partie ou la totalité de sa masse étant comprimée dans un espace suffisamment petit, provoquant une courbure infinie de l'espace-temps en ce point (une "singularité"). Une courbure d'espace-temps aussi massive ne permet à rien, pas même à la lumière, d'échapper à "l'horizon des événements" ou à la frontière.

Les trous noirs n'ont jamais été observés directement, bien que les prévisions de leurs effets correspondent à celles observées. Il existe une poignée de théories alternatives, telles que les objets magnétiques toujours effondrés (MECO), pour expliquer ces observations, dont la plupart évitent la singularité espace-temps au centre du trou noir, mais la grande majorité des physiciens pensent que l'explication du trou noir est la représentation physique la plus probable de ce qui se passe.

Trous noirs avant la relativité

Dans les années 1700, certains ont proposé qu'un objet supermassif attire la lumière. L’optique newtonienne était une théorie corpusculaire de la lumière, traitant la lumière comme des particules.

John Michell a publié un article en 1784 prévoyant qu'un objet de rayon 500 fois supérieur à celui du soleil (mais de même densité) aurait une vitesse de fuite de la vitesse de la lumière à sa surface et serait donc invisible. L’intérêt pour la théorie mourut dans les années 1900, cependant, alors que la théorie de la lumière de la vague prenait de l’importance.

Lorsqu'elles sont rarement référencées dans la physique moderne, ces entités théoriques sont appelées "étoiles noires" pour les distinguer des véritables trous noirs.

Trous noirs de la relativité

Quelques mois après la publication de la relativité générale par Einstein en 1916, le physicien Karl Schwartzchild apporta une solution à l'équation d'Einstein pour une masse sphérique (appelée Métrique de Schwartzchild)… Avec des résultats inattendus.

Le terme exprimant le rayon avait une particularité dérangeante. Il semblait que pour un certain rayon, le dénominateur du terme deviendrait nul, ce qui ferait que le terme "explose" mathématiquement. Ce rayon, connu sous le nom de Rayon de Schwartzchild, rs, est défini comme:

rs = 2 GM/ c 2

g est la constante gravitationnelle, M est la masse, et c est la vitesse de la lumière.

Puisque les travaux de Schwartzchild se sont révélés cruciaux pour comprendre les trous noirs, il est étrange que le nom Schwartzchild se traduise par "bouclier noir".

Black Hole Propriétés

Un objet dont toute la masse M repose dans rs est considéré comme un trou noir. Horizon des événements est le nom donné à rs, car à partir de ce rayon, la vitesse de sortie de la gravité du trou noir est la vitesse de la lumière. Les trous noirs attirent la masse par les forces de gravitation, mais aucune de ces masses ne peut jamais s'échapper.

Un trou noir est souvent expliqué en termes d'objet ou de masse "tombant dans" celui-ci.

Montres Y X tombent dans un trou noir

  • Y observe les horloges idéalisées sur X qui ralentissent et gèlent dans le temps lorsque X frappe rs
  • Y observe la lumière du redshift X, atteignant l’infini à rs (Ainsi, X devient invisible - mais on peut toujours voir leurs horloges. La physique théorique n’est-elle pas magnifique?)
  • X perçoit un changement notable, en théorie, bien qu’une fois franchi rs il est impossible qu'il échappe jamais à la gravité du trou noir. (Même la lumière ne peut pas échapper à l'horizon des événements.)

Développement de la théorie du trou noir

Dans les années 1920, les physiciens Subrahmanyan Chandrasekhar en ont déduit que toute étoile plus massive que 1,44 masse solaire (la Limite de Chadrasekhar) doit s'effondrer en relativité générale. Le physicien Arthur Eddington croyait que certaines propriétés empêcheraient l'effondrement. Tous deux avaient raison, à leur manière.

En 1939, Robert Oppenheimer avait prédit qu'une étoile supermassive pourrait s'effondrer, formant ainsi une "étoile gelée" dans la nature, plutôt qu'en mathématiques. L’effondrement semblerait ralentir, se figer dans le temps au point où il se croise rs. La lumière de la star connaîtrait un redshift intense à rs.

Malheureusement, de nombreux physiciens ont estimé qu'il ne s'agissait que d'une caractéristique de la nature hautement symétrique de la métrique de Schwartzchild, estimant qu'un tel effondrement n'aurait pas lieu en raison d'asymétries.

Ce n’est qu’en 1967 - près de 50 ans après la découverte de rs - que les physiciens Stephen Hawking et Roger Penrose ont montré que non seulement les trous noirs résultaient directement de la relativité générale, mais qu’il n’y avait aucun moyen d’arrêter un tel effondrement. La découverte de pulsars a conforté cette théorie et, peu après, le physicien John Wheeler a inventé le terme "trou noir" pour désigner le phénomène dans une conférence du 29 décembre 1967.

Des travaux ultérieurs ont inclus la découverte du rayonnement de Hawking, dans lequel les trous noirs peuvent émettre un rayonnement.

Spéculation trou noir

Les trous noirs sont un domaine qui attire les théoriciens et les expérimentateurs qui veulent un défi. Il existe aujourd'hui un consensus quasi universel sur l'existence de trous noirs, bien que leur nature exacte soit toujours en cause. Certains pensent que le matériau qui tombe dans des trous noirs peut réapparaître ailleurs dans l'univers, comme dans le cas d'un trou de ver.

Un ajout important à la théorie des trous noirs est celui du rayonnement de Hawking, mis au point par le physicien britannique Stephen Hawking en 1974.