Cœurs vitaux mais également dévoreurs de nos galaxies, les trous noirs sont de mieux en mieux étudiés
Deux forces dynamiques dominent l’Univers, l’expansion accélérée du tissu même de l’Espace et la gravité qui concentre toute masse qui s’y trouve. Ces forces sont contraires mais elles se comprennent, la première comme libérant la matière de sa compression initiale et la seconde comme une propension fondamentale de cette même matière à s’agglomérer.
Toute masse agglomérée détermine un type d’astre en fonction de son importance. De ce point de vue, les astéroïdes comme les trous noirs, en passant par les planètes, les étoiles naines ou les étoiles massives, sont de la même espèce. Leur existence résulte des mêmes lois de la gravité. Leur différence vient de ce que ces lois n’ont pas les mêmes effets selon l’importance de leur masse et aussi de l’époque de leur formation puis de l’évolution de leur environnement.
La gravité via la densification génère la chaleur. En fonction de leur intensité, densification et chaleur peuvent aller jusqu’à défaire les liens physico-chimiques non seulement des molécules mais aussi des atomes et en recréer d’autres. Les étoiles massives sont connues pour avoir poussé au maximum la diversification des éléments chimiques à partir de l’hydrogène et de l’hélium initiaux. Mais tout est une question de degré et la courbe de diversification s’abaisse à nouveau sur l’abscisse lorsque la masse devient trop dense. Ainsi, les étoiles à neutrons qui sont les moins massives des géantes effondrées, réduisent à nouveau la diversification, et plus loin, les trous noirs simplifient encore la matière. Examinons de plus près ces derniers.
On a pressenti dès le XVIIIème siècle (après Newton et avec l’astronome britannique John Michell en 1783 puis Pierre-Simon Laplace en 1796) que des astres pourraient exister dont la force d’attraction serait telle que même la lumière ne pourrait s’en échapper (leur vitesse de libération atteignant celle de la lumière). Mais ce n’est qu’après Albert Einstein, puis Karl Schwarzschild (définissant son fameux « rayon »), qu’avec Robert Oppenheimer en 1939, on formalisera l’« objet » qui ne sera observé, indirectement, la première fois qu’en 1971 (« Cygnus X-1 » avec le télescope Uhuru de la NASA – lancé dans l’espace depuis Mombasa).
Un trou noir est un objet si dense en son centre que l’intensité du champ gravitationnel qui en résulte, empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper. C’est pour cela qu’on ne peut l’observer directement mais seulement par les effets qu’il a sur son environnement. Cet environnement, ce peut être d’abord de la matière, qu’il triture et déchire (produisant des émissions de rayons X ou gamma en plus des émissions en d’autres longueurs d’onde du spectre électromagnétique ou encore des émissions de neutrinos et même d’ondes gravitationnelles s’il fusionne avec un autre trou noir ou absorbe une étoile à neutrons). Cet environnement, c’est aussi les ondes lumineuses provenant des sources qui peuvent se trouver derrière lui en alignement avec nous, et qu’il va rapprocher visuellement de nous en les déformant (effets de déviation et de loupe). Cette force extrême s’exerce à partir d’un centre dit « singularité gravitationnelle », vers l’extérieur jusqu’à son « rayon des événements » dit aussi « de Schwarzschild » qui délimite tout autour de la singularité un volume sphérique dont la surface est dite « horizon des événements ». Cependant il ne faudrait pas s’approcher de ce dernier au-dedans de la dernière orbite stable qui l’entoure, que l’on nomme « ISCO » (« Innermost Stable Circular Orbit »). En effet, sur cette orbite qui se situe à environ 3 fois le rayon de Schwarzschild du trou noir, toute perturbation même infinitésimale conduirait irrémédiablement quelque objet que ce soit, à l’horizon des événements. Seuls des photons pourraient descendre plus bas sans être définitivement contraints, jusqu’à 1,5 fois ce même rayon, puisqu’ils n’ont pas de masse et se déplacent plus vite que la matière, à la vitesse de la lumière (leur vitesse).
Ce qui est surprenant sinon paradoxal, c’est que l’on pourrait franchir cet horizon vers l’intérieur sans s’en apercevoir sauf à vouloir repartir vers l’extérieur, car la densité ne change pas brutalement lors du passage. Simplement lorsqu’on le passe, « la barrière invisible se referme » et l’attraction vers le centre, la singularité, continue irrémédiablement. C’est à la singularité que se cache vraiment le trou noir, on pourrait dire que c’est « sa tanière », car c’est là où la gravité (et la force d’attraction qui va avec) tend le plus vers l’infini. Ceci implique que si la masse du trou noir est énorme, la densité au niveau de l’horizon des événements sera encore faible. Pour « M87 » premier trou noir qui a été « vu », le 10 avril 2019 par l’Event Horizon Telescope, la masse, effectivement énorme, est de 6,5 milliards de soleils, le rayon de 19 milliards de km (deux fois la distance du Soleil à Pluton) mais la densité n’est seulement que de 0,44 kg/m3 (44% de la densité de l’air) ! La densité du trou noir (sa masse volumique) décroît avec sa masse (et donc sa taille). Et si la densité pour les trous noirs massifs « normaux », comme Sgr A* au centre de notre galaxie reste très forte (9,5×105 kg/m3), et elle l’est a fortiori pour les petits trous noirs, un trou noir de la taille de l’Univers, aurait la densité…de l’Univers (ce qui pourrait donner à penser que peut-être nous nous trouvons à l’intérieur d’un trou noir).
Que se passe-t-il lors du franchissement des limites ?
La dilatation du temps près d’un trou noir est similaire dans ses effets à celle d’un mouvement à haute vitesse bien que la cause physique soit différente : Dans le cas d’un voyage spatial à une vitesse se rapprochant de celle de la lumière, la dilatation du temps est une application de la relativité restreinte. Dans le cas de l’approche d’un trou noir, la dilatation du temps vient de la courbure de l’espace-temps causée par la gravité intense et c’est une application de la relativité générale.
NB : Pour ceux qui sont intéressés, le facteur de dilatation temporelle gravitationnelle est : t = t₀ / √(1 – Rs/r) où Rs est le rayon de Schwarzschild et r la distance au centre. Quand r → Rs, ce facteur tend vers l’infini, comme γ (facteur de Lorentz) tend vers l’infini quand v → c.
Qu’en est-il de la vitesse de chute ?
Pour un observateur tombant librement vers le trou noir, sa vitesse locale (mesurée dans son propre référentiel) augmenterait et approcherait ‘c’ au niveau de l’horizon (pour repartir vers l’extérieur il devrait donc aller plus vite que ‘c’ en sens inverse, ce qui est impossible). Il traverserait cet horizon en un temps fini de son temps propre mais ne ressentirait rien de spécial. Pour un observateur extérieur, ce serait différent (relativité) : La chute semblerait ralentir de plus en plus (dilatation du temps) ; l’objet n’atteindrait jamais l’horizon (il faudrait un temps infini) mais semblerait « figé » plus il l’approcherait.
Que se passerait-il après avoir franchi l’horizon des événements ?
Après l’horizon, toutes les directions spatiales pointent vers la singularité. Essayer de s’échapper serait comme essayer de retourner dans le passé. Un trou noir n’a pas de « fond » au sens commun. La singularité n’est pas un lieu dans l’espace, mais dans le temps. À l’intérieur de l’horizon, les rôles du temps et de l’espace radial s’inversent ; La singularité devient un futur inévitable, pas un endroit où aller. C’est comme si demain devenait un lieu physique ! Attention : Le temps jusqu’à la singularité est fini. Plus le trou noir est massif, plus ce temps est long. Pour un trou noir de 10 masses solaires, le temps propre (vécu) serait d’environ 10 microsecondes. Pour un trou noir supermassif (millions de masses solaires), il durerait des heures.
Comment parvenir à cette concentration de matière ?
Il est possible que de petits trous noirs provenant du Big-Bang, dits « primordiaux », se « baladent dans la nature ». Ils pourraient résulter selon Stephen Hawking et Bernard Carr, de l’effondrement gravitationnel, lors de l’inflation cosmique, de petites surdensités de l’Univers primordial. On ne sait pas où ils pourraient se trouver et ils ne sont donc encore que théoriques mais on dit parfois que l’hypothétique « Planète-neuf » (la neuvième) de notre système solaire pourrait être l’un d’entre eux (peut-être parce qu’on n’arrive pas à la voir alors que « quelque chose » a une influence gravitationnelle forte au-delà de l’orbite de Pluton sur plusieurs planètes naines évoluant dans la ceinture de Kuiper). Par ailleurs, la constatation récente de galaxies importantes plus tôt qu’on ne l’avait prévu après l’éclatement de la surface de dernière diffusion (l’inflation cosmique ci-dessus), pourrait être expliquée par la présence plus importante que prévu de ce type de trous noirs à cette époque.
Les trous noirs qu’on pourrait qualifier de « communs » ont une masse très importante et sont de deux types, les trous noirs « stellaires » et les trous noirs « supermassifs ».
Les premiers (au moins trois masses solaires et, en principe, pas plus d’une vingtaine) résultent de l’effondrement de grosses étoiles (au moins dix masses solaires à l’origine, avant supernova et éjection des couches extérieures de l’étoile) après qu’elles aient achevé la combustion interne de leurs éléments légers. Les seconds, qui ont peut-être la même origine, résultent de l’accrétion d’énormément de matière (leur masse va de quelques millions à plusieurs milliards de masses solaires) dans la région la plus dense de leur galaxie, son cœur. Les premiers ne peuvent provenir que d’étoiles géantes, les masses autrement ne pourraient se contracter autant que nécessaire et on aurait des naines blanches ou des étoiles à neutrons. Mais les étoiles à neutrons peuvent elles aussi devenir des trous noirs en accrétant de la matière ou en fusionnant avec une autre étoile à neutrons.
Les trous noirs supermassifs sont au cœur des galaxies spirales comme le Soleil est au cœur de notre système solaire. Provenant d’un effondrement et d’une accrétion des masses voisines, ils sont obligatoirement en rotation et ils entraînent par force de gravité leur galaxie autour d’eux. Ils « tiennent » cette galaxie et se nourrissent de ses étoiles proches, devenant de ce fait encore plus puissants et entraînant davantage d’étoiles et de matière à fusionner avec eux, pourvu bien sûr qu’elles soient à portée de leur force d’attraction, qui s’accroît avec leur masse. Le nôtre, « Sgr A* », a une masse actuelle de 4,15 millions de masses solaires.
A noter que les classifications sont faites pour connaître des exceptions et il y en a évidemment aussi dans le cas présent. Ainsi on s’est étonné en 2019 de découvrir un trou noir stellaire (« LB-1 ») de 70 masses solaires (donc nettement plus que les 20 considérés a priori comme une limite) dans un des bras spiraux de notre galaxie, à quelques 15.000 années-lumière de « chez nous ». Il pourrait s’agir d’une fusion de trous noirs. Cela arrive.
Nous sommes à 26.000 années-lumière de notre centre galactique donc de son trou noir central (la Voie-Lactée a un diamètre d’environ 100.000 années-lumière). C’est notre cœur mais il est noir (il me fait penser au Soleil noir de la mélancholie si puissamment gravé par Albrecht Dürer) et il nous est à la fois nécessaire et hostile. Il n’est pas certain qu’il nous absorbe un jour (au-delà de son appétit d’ogre, cela dépendra sans doute de l’accélération ou de la décélération de l’expansion de l’Univers) mais son voisinage et notre dépendance sont quand même effrayants. NB (pour revenir au précédent article de ce blog) : en raison de la théorie de la relativité restreinte, notre centre galactique pourrait être atteint en 20 ans seulement si l’on pouvait voyager au plus près de la vitesse de la lumière (99,999974% de c soit -778m/s de c) avec une accélération continue de 1g. Sur cette durée environ 5 ans seraient consacrés aux phases d’accélération, décélération, avec retournement entre deux). L’Univers devant le vaisseau apparaîtrait contracté d’un facteur 2600 ; chaque seconde vécue par les voyageurs correspondrait à environ 43 minutes sur Terre ; la masse apparente du vaisseau (pour un observateur externe) serait 2600 fois sa masse au repos.
Les trous noirs sont donc des éléments essentiels de l’Univers. Comme dit ci-dessus, nous en avons déjà des images, mais elles sont fixes. A l’EPFL, l’astrophysicien Jean-Paul Kneib (LASTRO) a commencé l’organisation d’un réseau mondial d’observation qui permettra d’obtenir une vidéo de notre cœur, SgrA*. Cela permettra de mieux comprendre le passage par la matière des limites décrites ci-dessus. On est impatients de la voir et de l’étudier !
Illustration de titre : approche du trou noir Sgr A* (Sagittarius A*) de notre galaxie, crédit ESO/S.Gillessen et MPE, Marc Schartmann (2011). Cette illustration montre les trajectoires des divers astres qui orbitent au plus près de notre trou noir supermassif et le comportement d’un nuage de gaz en train de tomber vers le trou.
Image ci-dessous : Sgr A* vu par le télescope à rayons X, Chandra, crédit : NASA/Penn State/G.Garmire et al.
Liens :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Derni%C3%A8re_orbite_circulaire_stable
https://theconversation.com/gabriel-quest-ce-quil-y-a-a-linterieur-et-au-fond-dun-trou-noir-180150
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11 réponses
Bonjour Pierre Brisson
Excellent article a relire a tete reposee! il se produit aussi de tres fortes compressions de champs.
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gravitationnel et magnetique:
gravitationnel: effet spaghetti
magnetique: expulsion matiere a grande vitesse et emissions rayonnements intenses.
Bon ce n est pas un endroit tres agreable!
Bonjour Robert Niogret!
Certes l’endroit est terrifiant.
Je m’étonne que certain aient prévu d’utiliser les trous noirs pour passer d’un endroit relativement proche à un endroit lointain. Je crois qu’ils oublient le passage inévitable par la singularité (si on pouvait même l’atteindre). Même si la densité du trou noir est faible sur l’horizon (en fonction de sa masse), je ne vois pas comment on pourrait éviter l’écrasement progressif et total.
A mon avis c est impossible c est de la science fiction!
Je pense que nous sommes contraints pour un bon bout de temps a rester dans notre systeme solaire mais c est deja extra! on aurait jamais pu imaginer cela il y a deux siecles !
J ai regarde avec GEMINI cette affaire: ce sont des concepts de trou de ver qui font appel a l ernergie dite « negative » car responsable « d antigravite »necessaire pour maintenir le trou de ver ouvert…c est theorique sans preuves et jamais observe ….
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ca qui ne veut pas dire que ce soit impossible!
Je ne crois pas que notre éventuelle absorption par le trou noir au centre de la Galaxie « dépendra sans doute de l’accélération ou de la décélération de l’expansion de l’Univers ». En effet, comme déjà montré sur ce blog, l’accélération de l’expansion ne l’emporte sur la gravitation qu’à la limite du rayon du Groupe local (environ une soixantaine de petites galaxies autour de la nôtre et de celle Andromède), soit dès 5 millions d’années-lumière. En deça la gravitation l’emporte, au-delà c’est l’expansion accélérée, éloignant inexorablement de nous toutes les autres galaxies.
On connaît au moins 55 étoiles en orbite proche de Sgr A*, certaines orbitant à un demi-grand axe de 900 UA en seulement 10 ans ou en quelques dizaines d’années, mais avec un périapside de seulement une centaine d’UA. Il n’est pas attendu que ces étoiles aillent tomber dans le trou noir. Le disque d’accrétion autour de Sgr A* est la seule chose qui soit visible immédiatement autour du trou noir, c’est la radiosource détectable qui a un diamètre de seulement 1 UA, soit 150 millions de km, pour sa partie chaude (le disque s’étendant jusque vers 1000 AL pour sa partie froide) alors que le rayon Rs est de seulement 12,3 millions de km (soit l’équivalent d’un cinquième de l’orbite de Mercure), vu d’ici sous un angle de 20 microsecondes d’arc. On considère qu’actuellement « notre » trou noir est calme, en quiescence (faible vitesse d’accrétion), n’absorbant que peu de matière, un nuage de gaz de temps en temps.
Merci de votre commentaire.
Je suis d’accord pour « aujourd’hui »mais quid sur le long terme?
Mes remarques:
1) si on parle de disque d’accrétion c’est qu’il y a, de temps en temps de la matière qui finit par s’y faire prendre.
2) si les vitesses de étoiles orbitant les trois noirs sont si élevées, c’est que la contrainte exercée par la force gravitationnelle des trous noirs est d’autant plus élevées que l’on en est proche. On peut en déduire que, de temps en temps » l’accretion se produit par absorption de ces étoiles.
Si c’est bien le cas, la masse donc la force gravitationnelle du trou noir, va augmenter et agir sur les étoiles juste un peu plus éloignées de lui. Et leur vitesse autour de ce trou noir va s’accélérer jusqu’à ce que, à leur tour, elles soient absorbées par lui.
Ce me semble être un raisonnement logique (le même que celui qui s’est appliqué pour la formation de notre soleil ou de nos planètes).
D’autre part, je ne comprends pas bien pourquoi « au bout d’un moment » (très long) l’expansion accélérée ne pourrait pas avoir un effet sur toute masse. Certes il y a lutte entre expnansion acceleree et gravité générée par la masse mais l’evolution des conséquences de ce rapport de force doit dependre des changements dans ce rapport de force. Et l’on sait que l’expansion accélérée doit continuer. C’est d’ailleurs, je crois, ce que Roger Pen rose envisage dans sa théorie « Cosmologie Cyclique Conforme ». Autre preuve logique, le passage d’un univers compact jusqu’à 380.000 ans après le Big Bang, à un univers morcelé ensuite.
Pour le Système solaire, il n’est pas prévu que les planètes vont finir par tomber sur le Soleil. Plus probablement, toutes les planètes vont s’éloigner du Soleil, car celui-ci perd continûment de la matière par rayonnement et par les réactions de fusion qui transforment de la masse en rayonnement (le Soleil fusionne 620 millions de tonnes chaque seconde et perd ainsi 4.3 millions de tonnes chaque seconde par rayonnement et par flux de neutrinos, sans compter le vent solaire…).
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Si Sgr A* augmente sa masse en absorbant de temps en temps des nuages de passage, voire en capturant des étoiles égarées, celles qui sont en orbite autour de lui ne vont pas tomber sur lui, mais augmenter leur vitesse orbitale pour rester en orbite, comme tout le reste de la Galaxie. Le « cannibalisme » des trous noirs existe, mais cela ne change pas les lois de la mécanique.
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Pour ce qui est de l’expansion qui finirait par pénétrer dans le Groupe local, puis dans les galaxies elles-mêmes, donc dans notre Galaxie, puis dans le Système solaire, puis dans tout corps matériel (jusqu’aux molécules et aux atomes réduits finalement en particules élémentaires se diluant à l’infini), vous auriez raison seulement dans le cas où la constante cosmologique Λ ne serait pas une vraie constante, mais augmenterait avec le temps (scénario du Big Rip, à l’opposé du scénario Big Crunch, si elle diminuait, voire s’inversait en changeant de signe, et que la gravitation puisse l’emporter finalement).
Je ne disais pas que les planètes allaient tomber sur le Soleil. Je parlais d’accretion et évoquais la similarité d’une étoile en formation à celle d’un trou noir.
Après une certaine masse les étoiles ne peuvent plus grossir. Cela veut dire qu’elles arrêtent d’accreter la matière qui les entourent et rejettent tous les volatils à distance, par leur rayonnement.
Dans le cas d’un trou noir, on se trouve dans une situation différente parce que, d’une manière ou d’une autre, la concentration de matière a dépassé un seuil et la force d’accretion de ce trou continue à croître tant qu’elle peut trouver matière autour d’elle pour le faire. En quelque sorte les trous noirs sont aussi les cancer de l’univers.
Citation extraite de l’article « trou noir » de Wikipedia :
« 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 « aspirateur » 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). »
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Un disque d’accrétion autour d’un trou noir doit être alimenté en gaz pour rayonner. Notre trou noir central est considéré comme actuellement calme, car peu alimenté sporadiquement. C’est pourquoi il y a beaucoup de trous noirs tout à fait invisibles (de taille quelconque, naviguant çà et là autour et dans la Galaxie), car n’ayant pas de disque d’accrétion permettant de les signaler. Ce sont justement des candidats pour la matière noire.
Bonjour
Amusons nous a « regarder » la « notion » de bigbang du vide: l etat actuel « faux vide » passerait par un phenomene de nouveau bigbang a l interieur du bigbang actuel a un nouvel etat « vrai vide »: ce serait une transition de phase irreversible et instantannee du tissu energetique de l univers ! ce serait une nouvelle maniere d imaginer la fin de l univers! personne n aurait le temps de s en rendre compte!
cela se nomme « la catastrophe du faux vide »: c est impressionnant! pas de stress!