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15 juin 2008 7 15 /06 /juin /2008 20:14

 

 

 

 Deux satellites ont apporté pour la première fois la preuve d’un gigantesque trou noir déchirant et absorbant une petite partie d’une étoile, a annoncé, mercredi 18 février 2004, la NASA.(sources : http://www.interet-general.info/)

 

 

 

     Le terme de « trou noir » est bien connu du grand public, du moins par la partie de ce public s’intéressant à la science-fiction, et ce à cause des différentes séries télévisées qui font appel à ce phénomène céleste d’autant plus aisément qu’il est mystérieux et mal expliqué. On se souvient, par exemple de Stargate SG1 où les héros se servent de trous noirs pour contrer l’offensive de leurs ennemis ou de la série Sliders dont des analogues de trous noirs permettent aux acteurs de glisser d’univers parallèles en univers parallèles. Mais, au delà du simple folklore, on peut s’interroger sur ce que recouvre ces objets astronomiques… s’ils existent vraiment ! En effet, leur réalité a été longtemps discutée et, en dépit d’avancées récentes, certains scientifiques (mais de moins en moins) en doutent encore. Essayons d’y voir plus clair (sans jeu de mots).

 

 

 

Bref retour en arrière

 

     L’idée d’astres si massifs que même la lumière ne pourrait pas s’en échapper vient de loin, du XVIIIème siècle en fait, où, à la suite des travaux de Newton, John Michell (en 1783) et Pierre-Simon de Laplace (en 1796) en formulèrent conjointement la théorie. Oui, mais à cette époque, on ne connaissait pas la vitesse de la lumière et on ne pouvait en conséquence que supposer l’existence d’objets suffisamment massifs pour la retenir. Il s’agissait donc tout au plus d’une curiosité théorique comme la Science aime parfois en inventer et on s’empressa d’oublier ces idées étranges.

 
     C’est avec Einstein et sa
théorie de la Relativité générale que la notion de trou noir reprit du service. Depuis 1915, date de la formulation de la théorie, on sait que l’espace n’est pas uniformément plat et que tout objet peut plus ou moins le courber en fonction de sa propre masse. Tout objet certes, mais pour que cela soit notable, encore faut-il que cette masse soit suffisante, comme celle d’une étoile par exemple. Cette courbure plus ou moins prononcée de l’espace dévie forcément les rayons lumineux ce qui fut démontré dès 1920 (voir sujet : théorie de la relativité générale). Plus la masse d’un corps est importante, plus cette courbure est prononcée à la façon d’une sorte d’entonnoir (le puits gravitationnel) et plus la lumière sera déviée. Imaginons à présent un objet si massif que l’entonnoir se trouve « sans fond » : la lumière ne pourrait en ressortir et on se trouverait face à un « trou noir ». Problème : si la lumière ne peut s’échapper d’un trou noir, comment le voir ? Jusque dans les années 1960, la question resta sans réponse… et l’existence des trous noirs hypothétique. Une autre question vient aussi à l’esprit : d’où pourraient-ils venir, ces étranges objets ?

 

 

 

Origine des trous noirs

 

     Nous avons déjà évoqué (voir sujet : mort d’une étoile) les différents devenirs des étoiles, une évolution qui dépend essentiellement de leurs masses. Lorsque tout le combustible d’une étoile a été brulé, celle-ci évolue vers un astre extrêmement massif. Si la masse d’une étoile dépasse quarante fois la masse solaire (MS), son noyau dégénéré peut dépasser les trois MS. Dans ce cas, les forces de répulsion des composants atomiques dégénérés (neutrons et protons) ne peuvent plus s'opposer à la compression due aux forces gravitationnelles et la matière s’écrase sur elle-même sans que plus rien ne s’y oppose : on aboutit alors à la formation d’un trou noir. Il arrive même que cette éventualité se produise à partir d’une étoile à neutrons (l’évolution classique d’une étoile un peu moins massive) si celle-ci « capte » de la matière depuis une compagne proche comme cela peut se produire dans un système d’étoiles binaires serré (voir sujet : étoiles doubles et systèmes multiples). En pareil cas, l’accrétion de matière supplémentaire augmente la taille du résidu d’étoile jusqu’à dépasser un seuil critique à partir duquel se forme un trou noir.

 
     Selon leurs masses et leurs propriétés, il existe théoriquement différents types de trous noirs : les trous noirs supermassifs, les trous noirs stellaires (de quelques MS) et même des « micro trous noirs » mais nous ne nous intéresserons aujourd’hui qu’au premier type de ces trous noirs, les supermassifs.

 

 

 

Comment peut-on observer un trou noir ?

 

     On ne le peut pas puisque, par définition, il s’agit d’un objet invisible, la lumière ne pouvant s’en échapper ! C’est d’ailleurs la raison pour laquelle l’existence d’un tel phénomène a été longtemps tenue pour exclusivement théorique.

 
     On a déjà vu que l’espace est déformé par un corps massif : cela n’est pas perceptible pour un astre comme la Terre, de taille modeste par rapport à une étoile, mais est déjà notable pour le Soleil (voir sujet :
théorie de la relativité générale). Un trou noir, par son incroyable masse, doit donc considérablement déformer l’espace autour de lui… et par conséquent ralentir les distances et le temps. Une minute près d’un trou noir sera donc plus longue qu’une minute sur Terre…

 
     Un trou noir est un objet que l’on peut comparer à une barrière, une membrane à sens unique qui divise l’Univers en deux : d’un côté le monde extérieur (l’Univers que nous voyons et dans lequel nous vivons) et de l’autre un monde intérieur dont rien ne peut revenir. Cette limite du trou noir entre ces deux mondes est appelé «
l’horizon des évènements ».

 
     Un trou noir, toutefois, n’est pas qu’un corps passif puisqu’il échange des informations avec son monde extérieur en « captant » de la matière : il prélève de l’énergie mais peut également, par sa seule présence, en produire sur son environnement immédiat. Il existe donc des signes indirects de sa présence et c’est cela
que l’on a pu réussir à mettre en évidence à partir de la deuxième moitié du siècle dernier. Dès 1960, en effet, on a décelé des radio sources et des quasars (voir glossaire) qui ont accrédité l’idée que des objets supermassifs et impénétrables à la lumière pouvaient se situer au centre des galaxies. Quelques années plus tard, des satellites artificiels plus performants (pouvant déceler les rayonnements de haute énergie) ont mis en évidence des sources X en provenance de systèmes binaires dont l’une des composantes, invisible et très massive, émettait un flux gigantesque de rayons X : il ne pouvait provenir que de l’échange de matière entre l’étoile visible et sa compagne invisible, un trou noir.

 
     Que se passe-t-il à l’intérieur d’un trou noir ? Le centre du trou noir est appelé «
singularité », un endroit où la courbure de l’espace et le champ gravitationnel deviennent infinis mais on ne sait pas vraiment ce que cela veut dire pour la bonne raison qu’en pareil cas la théorie de la relativité générale ne peut s’appliquer (dans le cas, comme ici, d’une courbure infinie de l’espace, les phénomènes sont de nature quantique… et il n’existe pas, comme on l’a vu dans un sujet précédent, de théorie gravitationnelle quantique). Nous abordons là des domaines inconnus et forcément encore bien mystérieux.

 
       L’existence des trous noirs est à présent certaine mais comment se distribuent-ils dans l’Univers ?

 

 

 

Où trouve-t-on des trous noirs ?

 

     Les trous noirs supermassifs se trouvent au centre des galaxies et ils peuvent « peser » de quelques millions à plusieurs milliards de MS. Du fait de cette présence considérable, on peut parfois distinguer indirectement leur existence par des jets de matière qui s’échauffent à leur contact et, comme nous venons de le dire, par l’émission de puissantes sources de rayons X. Du coup, le centre d’une galaxie peut devenir plus brillant que ce qui serait expliqué par la seule superposition des étoiles qui la compose : c’est cela que l’on appelle un noyau actif de galaxie et on estime qu’environ 5% des galaxies visibles sont de cette nature. Chaque galaxie possède donc probablement un trou noir plus ou moins important : la Voie lactée, notre galaxie, n’échappe pas à cette règle comme en témoigne la course plus rapide des étoiles proches de son centre.


     La présence de trous noirs supermassifs explique l’existence d’objets astronomiques particuliers comme les quasars (presqu’une étoile ou quasi-star en anglais) qui sont des galaxies lointaines particulièrement actives en raison de leur grande activité lumineuse et magnétique, certainement en rapport avec la présence en leur centre de trous noirs hyperactifs. On évoque aussi les blazars (voir glossaire), voisins des quasars (et qui s’en distinguent par la grande variabilité de leurs émissions) mais également les radiogalaxies. En réalité, tous ces objets sont sans doute les différentes formes des galaxies à noyaux actifs.
 

 


Vie des trous noirs supermassifs

 

     On vient de voir que les galaxies à noyaux actifs sont celles dont les trous noirs centraux sont en pleine activité : ils avalent continuellement de la matière d’où leur luminosité intense. Question : de tels trous noirs supermassifs finiront-ils par engloutir toutes les étoiles de leurs galaxies ? Eh bien non car il existe une sorte « d’autorégulation » : à force d’avaler tout qui les entoure, il finit pas se créer autour d’eux une zone de « no man’s land » vide de matière et le trou noir se calme… Il n’empêche : lorsqu’il est en pleine activité, il se crée à sa proximité d’énormes déplacements de gaz qui s’échauffe jusqu’à entraîner la formation de myriades de nouvelles étoiles. C’est également le cas lors de collision entre deux galaxies avec la création de gigantesques « effets de marées » gravitationnels qui compriment les gaz vers les centres galactiques occupés par leurs trous noirs respectifs d’où, là aussi, des pépinières de jeunes étoiles ; le phénomène conduit à une extraordinaire augmentation des disques d’accrétion de matière autour des trous noirs : la galaxie résultante devient si brillante qu’on l’appelle un quasar, un objet à la luminosité équivalente à celle d’une étoile proche de nous alors qu’il est situé aux confins de l’Univers. On se trouve ici en présence des phénomènes les plus énergétiques de l’Univers dont on peut imaginer ni l’étendue, ni la puissance tant nous sommes minuscules par rapport à eux…

     Et notre Galaxie dans tout ça ? La Voie lactée possède bien un trou noir massif en son centre mais il est plutôt calme (ce qui n’a peut-être pas toujours
été le cas). Pour en savoir plus sur Sagittarius, le trou noir de notre galaxie, se reporter au sujet dédié ICI. Pourrait-il se réactiver et, ainsi, augmenter la lumière de nos nuits ? Cela se produira très certainement dans environ deux milliards d’années lorsque notre Galaxie se heurtera à notre voisine, la grande galaxie d’Andromède. Il n’y aura pas de chocs entre les étoiles composant ces deux monstres tant il y a du vide en eux mais les forces gravitationnelles entraineront l’élévation de chaleur des gaz intersidéraux – d’où la formation de millions de nouvelles étoiles – et lorsque les trous noirs des deux galaxies fusionneront après des dizaines de milliers d’années d’interpénétration galactique, la résultante sera gigantesque. Un immense trou noir pour une immense nouvelle galaxie. Nous ne serons évidemment pas là pour le voir. J’allais presque dire : dommage…

 

 

 

 

 

Images

* photo 2 : image simulée d'un trou noir (sources : www.science-et-vie.net/)
* photo 3 : l’image en fausses couleurs obtenue par le télescope spatial Spitzer de la NASA montre une galaxie lointaine (en jaune) qui abrite un quasar, un trou noir supermassif entouré d’un anneau (ou tore) de gaz et de poussières (sources : www.nasa.gov/)
* photo 4 : grande galaxie d'Andromède (sources : http://www.noao.edu/)

(Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

 

 

Glossaire (in Wikipedia France)

 
* quasar : un quasar (pour source de rayonnement quasi-stellaire, quasi-stellar radio source en anglais) est une source d’énergie électromagnétique, incluant la lumière visible et les ondes radios. Les quasars visibles de la Terre montrent tous un décalage vers le rouge très élevé. Le consensus scientifique dit qu’un décalage vers le rouge élevé est le résultat de la loi de Hubble, c’est-à-dire que les quasars sont très éloignés. Pour être observables à cette distance, l’énergie que libèrent les quasars doit se réduire à un phénomène astrophysique connu, principalement les supernovae et les sursauts gamma (qui ont une vie relativement courte). Ils peuvent libérer autant d’énergie que des centaines de galaxies combinées. L’énergie lumineuse libérée est équivalente à celle qui serait libérée par 1012 Soleils.
     Avec les télescopes optiques, la plupart des quasars ressemblent à de petits points lumineux, bien que certains soient vus comme étant les centres de galaxies actives (couramment connus sous l'abréviation AGN, pour Active Galaxy Nucleus). 
     Certains quasars montrent de rapides changements de luminosité, ce qui implique qu’ils sont assez petits (un objet ne peut pas changer plus vite que le temps qu’il faut à la lumière pour voyager d’un bout à l'autre). Actuellement, le quasar le plus lointain observé se situe à 13 milliards d'années-lumière de la terre.
     On pense que les quasars gagnent en puissance par l’accrétion de matière autour des trous noirs supermassifs qui se trouvent dans le noyau de ces galaxies, faisant des « versions lumineuses » de ces objets connus comme étant des galaxies actives. Aucun autre mécanisme ne parait capable d’expliquer l’immense énergie libérée et leur rapide variabilité.

 
* blazar : les blazars sont des galaxies très actives et compactes, souvent très éloignées, ressemblant à des quasars. Leur principale caractéristique est que leur luminosité peut varier d'un facteur de 1 à 100 d'un jour à l'autre.
     Ils sont parmi les objets les plus puissants et violents de l'Univers et font partie, avec les quasars et les radiogalaxies, de la famille des galaxies actives, émettant une grande quantité de rayonnement lumineux et d'ondes radio depuis une région en leur centre pas plus grande que notre système solaire, vraisemblablement à cause d'un trou noir supermassif présent en leur centre, d'une masse de l'ordre du milliard de masses solaires et d'énergie d'ordre de mille milliard de fois celle de notre Soleil.

 

 

Brêve : chaque galaxie a bien son trou noir

 

   Une équipe d'astronomes de l'université de Durham (Royaume-Uni) a découvert cinq trous noirs cachés derrière des nuages de gaz et de poussières. Seuls les rayons X de haute énergie que produisent ces gouffres gravitationnels massifs comme des millions de Soleils pouvaient les trahir. Cette découverte permet de confirmer qu'un trou noir supermassif nicherait bien au coeur de chaque galaxie et d'évaluer pour la première fois leur population totale. "Il est probable que même dans les galaxies où l'on ne détecte rien, il y ait un trou noir supermassif, précise George lansburry, qui a mené l'étude. Certains doivent simplement être trop calmes pour produire des rayons X. Les monstres seraient ainsi des millions, rien que dans l'Univers proche de notre Voie lactée.

(Science & Vie, 1176, septembre 2015)

 

 

 

Mots-clés : Stargate SG1 - sliders - John Michell - Pierre-Simon de Laplace - relativité générale - étoile supergéante - étoile à neutrons - étoiles binaires - horizon des événements - radiosources - quasars - singularité - noyau galactique actif - blazars - radiogalaxies - galaxie d'Andromède

(les mots en blanc renvoient à des sites d'informations complémentaires)

 

 

 

 Sujets apparentés sur le blog

 

1. mort d'une étoile

2. théorie de la relativité générale

3. mécanique quantique

4. les galaxies

5. pulsars et quasars

6. juste après le Big bang

7. novas et supernovas

8. Sagittarius, le trou noir central de notre galaxie

 

 

 

 

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Mise à jour : 9 janvier 2016

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Published by cepheides - dans astronomie
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commentaires

catou 30/11/2008 00:01

je suis impressionnée et c'est peut être cela qui me pousse à continuer de lire tes articles même si,beaucoup de choses me dépassent.

TurboKompressor 06/07/2008 18:15

+5 pour ton blog

Y'a t-il un lien entre les trous noirs et le mur de Planck ?

cepheides 10/07/2008 20:27


Merci, TurboKompressor, pour ton intérêt pour le blog. Je pense que l'on ne peut pas - ou pas encore ? - répondre à ta question. Le "mur de Planck" correspond à la
période très brève qui, selon la théorie, a succédé à la création de l'Univers. Il est entendu que nous nous trouvons ici dans le cas de la théorie du Big Bang et d'un univers en expansion ce qui
est très probablement le cas. Le mur de Planck est donc ce moment minuscule (10 à la puissance -43 seconde : désolé il n'y a pas de possibilité d'afficher des exposants dans les réponses) qu'on
appelle aussi temps ou ère de Planck (en hommage au physicien allemand). C'est le moment où les quatre forces fondamentales de l'univers (électromagnétisme, interaction faible, interaction forte et
gravitation) sont encore unifiées. C'est ce que prévoit la théorie mais nous n'avons aucun moyen de le vérifier puisque, comme je le dis dans l'article, la physique qui permettrait de comprendre et
d'analyser le phénomène reste encore à inventer (la "théorie du tout"). Est-ce que dans un trou noir, on peut retrouver une situation analogue à ce temps de Planck ? Là-aussi, impossible de
répondre sans les outils adaptés mais, en poussant la théorie jusqu'au bout, pourquoi pas ?


florian 06/07/2008 16:59

j'adore les sciences

carême-prenant 29/06/2008 15:20

Si la matière est avalée par le trou noir et si elle ne peut jamais ressortir, a-t-on une idée de ce qu'elle devient car il faut bien qu'elle soit quelque part ?

cepheides 30/06/2008 16:45


Les lois de la physique classique ne s'appliquent plus une fois dépassé l'horizon du trou noir : il semble qu'il faille traiter les équations à l'aune de la physique
quantique adaptée à la relativité générale, c'est à dire selon une physique qui n'existe pas encore. Du coup, il n'existe que des suputations plus ou moins exotiques en ce qui concerne le sort
ultime de la matière en pareil cas. Bref, on ne sait pas. Pas encore.


Keno 29/06/2008 15:13

je reste confondue devant tes connaissances.... bravo and go on!

KreMa 25/06/2008 16:45

Coucou
c'est super impressionnant !!!

tb509 22/06/2008 15:56

c'est très interessant, j'aprend vraiment beacoup de choses

Chatou(CreationsDCP) 17/06/2008 06:32

merci, tes articles sont toujours très intéressants
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