Séminaire de Sherbrooke

LES TROUS NOIRS
Par Laurent Fradet et et Justin Hall, groupe 16.

Introduction

Dans l'Univers, il existe plusieurs phénomènes et objets cosmologiques. Certains sont bien connus, comme les éclipses, mais d'autres le sont moins, tels les trous noirs. Qu'est-ce qu'un trou noir? Pour répondre à cette question, nous allons aborder le sujet de sa formation et nous décrirons ses nombreuses caractéristiques.

LA FORMATION D'UN TROU NOIR

Définition d'un trou noir

Tout d'abord, un trou noir est un immense amas de matière. C'est en fait un cadavre d'étoile. Il possède une masse énorme qui est concentrée dans un très petit espace. Cet objet cosmologique, ayant la forme d'un entonnoir, attire, par gravité, tout ce qui se trouve dans son entourage, même la lumière. De ce fait, on ne peut observer un trou noir. La première allusion à un trou noir remonte au 18e siècle, quand Pierre-Simon de Laplace en parle dans son livre 'Exposition du système du monde'.

Le processus de formation d'un trou noir

Un trou noir se forme généralement à partir d'une étoile d'environ 10 fois la masse solaire. Quand l'étoile brûle tous ses gaz, elle s'effondre sous la force de sa propre gravité. En d'autres mots, elle s'attire elle même en son centre. Au fur et à mesure, elle rapetisse. Lorsque son rayon atteint 30 km, la vitesse qu'il faut pour s'échapper de sa force gravitationnelle (vitesse d'échappement) est rendue à 300 000 km/s, c'est-à-dire la vitesse de la lumière. Alors, toute lumière émise par le cadavre d'étoile restera prisonnière et le trou noir deviendra invisible. D'après la théorie de la relativité, on ne peut pas aller plus vite que la lumière, alors tout ce qui entre dans le trou à partir de ce moment ne pourra plus ressortir.

Un trou noir (le gros point noir au centre de l'image) en train d'aspirer une étoile.

 

CARACTÉRISTIQUES D'UN TROU NOIR

La détection

Si un trou noir est noir et invisible, comment s'y prend-on pour les détecter et les situer? Avant, les trous noirs n'étaient qu'une solution aux équations de la relativité générale. Pour prouver leur existence, les astrophysiciens ont alors eu la brillante idée d'observer les effets qu'a un trou noir sur son entourage. Alors, au lieu de l'observer directement, on peut le faire indirectement. Par exemple, on situe, un peu partout dans l'Univers, des astres ou des étoiles qui tournent autour d'un vide. Il est impossible qu'une étoile tourne autour de rien! Alors, si on ne voit pas ce qui incite cette rotation, on suppose la présence d'un trou noir.

D'autres méthodes sont couramment utilisées. Par exemple, des physiciens, à l'aide d'équations, réussissent à trouver la masse de certaines parties de l'Univers. Parfois, la masse volumique de ces régions est si élevée que la seule interprétation acceptable de ces résultats est la présence d'un trou noir. On peut aussi les détecter à l'aide d'un télescope spatial à rayon X. Les trous noirs, en aspirant des poussières, vont émettre ces rayons car ces dernières surchauffent à son approche. Le télescope spatial Chandra X, qui appartient à la NASA, détecte des trous noirs à l'aide de cette méthode.

La sphère de photons

Les trous noirs possèdent plusieurs caractéristiques telles que la sphère de photons. La sphère de photons est située à l'orée du trou noir. C'est l'endroit où les photons sont emprisonnés par le champ gravitationnel du trou noir. Qu'est-ce qu'un photon? C'est en fait la particule qui compose la lumière. En d'autres mots, la sphère de photons est une couche composée de lumière qui a été aspirée par le trou noir et qui essaie de s'en échapper.

Structure d'un trou noir (courbure de l'espace-temps).

L'horizon

L'horizon est une autre des multiples caractéristiques définissant les trous noirs. C'est l'endroit qu'on pourrait qualifier comme le 'point de non retour', c'est-à-dire que toute chose franchissant ce point ne peut ressortir du trou noir. L'horizon est situé à l'endroit du trou noir où la vitesse qu'il faut pour s'en enfuir est égale à la vitesse de la lumière. L'objet ayant dépassé l'horizon va entrer en contact avec la singularité.

Représentation d'étoiles et d'un trou noir. La courbe en noir représente la force d'attraction (gravité) de chaque astre. On peut aussi voir l'horizon (petit cercle noir) du trou noir.

La singularité

La singularité est l'intérieur du trou noir. Toute la matière qui a été aspirée s'y compacte. Cette partie du trou noir a une densité énorme. Les physiciens ont imaginé de nombreuses théories sur cette singularité. Ils n'ont pourtant pas pu définir sa forme et sa composition. Est-elle formée de matière? La science n'est pas assez avancée pour bien définir la nature de la singularité.

Conclusion

Les trous noirs est un sujet fascinant à étudier. Nous avons brièvement décris leur formation et leurs caractéristiques, mais plusieurs phénomènes et théories restent encore à découvrir et une multitude de questions demeurent irrésolues à ce jour. Par exemple, l'Univers sera-t-il un jour aspiré par un trou noir? Ce sujet serait très intéressant à étudier.

Bibliographie

1- HAWKING, Stephen, Trous noirs et bébés univers
2- PASACHOFF, Jay M., Astronomie
3- LALIBERTÉ, Frédéric, Introduction à la physique des trous noirs, http://pages.infinit.net/gafen
4- ALARIE, Éric, Les trous noirs, http://iquedec.ifrance.com/trounoir
5- JAMET, Didier, Dictionnaire de l'astronomie - trou noir, http://www.cidehom.com/article.php?_a_id=189

Le fond d'écran est une représentation artistique d'un trou noir.