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Les trous noirs
La science fiction devenue réalité
Conférence du 27 avril 1997
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Conférencier: Ingénieur et professeur à l'Université de Sherbrooke |
Auteur du résumé: Christian Côté |
Introduction
L’hypothèse concernant l’existence des trous noirs provient sans doute de l’intérêt que l’homme manifeste depuis longtemps pour tenter de cerner et d’expliquer la gravitation. Cette quête commença à se préciser au Moyen-Âge lorsque, à des fins militaires, des calculs commencèrent à être faits pour calculer la portée des canons.
La fascination de la gravitation
Historique de la gravitation
Aristote fut le premier à donner une «définition» de la gravité, en émettant l'hypothèse que «tout objet de l’univers a tendance à revenir à son lieu naturel». Ainsi, l'eau, en tombant sous forme de pluie, retourne à son lieu naturel, sur la terre. Il en va de même pour une pierre lâchée au dessus du sol.
Newton fut le premier à donner une véritable définition scientifique de ce phénomène. Sa «loi de la gravitation universelle» affirme que le poids d'un objet est la force gravitationnelle nette qui agit sur lui: (F = GmM/r2). Selon lui, plus la masse d'un corps est élevée, plus sa force d'attraction augmente. Il est aussi à l'origine de la mécanique classique, selon laquelle un objet n'ayant pas de masse ne peut pas être soumis à une force d'attraction, ni de répulsion. Sa théorie fut cependant contredite par Einstein qui a développé la mécanique relativiste. Celle-ci suppose que même un objet n'ayant pas de masse au repos comme un photon peut subir des phénomènes d'attraction ; par exemple, lors d'une éclipse solaire, une étoile qui aurait dû être invisible selon les calculs des astronomes, avait tout de même été aperçue, mais à un emplacement autre que celui qui était la sienne en réalité. Cette observation prouvait donc que les photons de lumière provenant de l'étoile en question avaient été déviés par un corps se trouvant sur son trajet.
Albert Einstein
Lorsque des astronomes s'aperçurent que certaines étoiles «disparaissaient» de l'espace, ils émirent l'hypothèse des trous noirs. Une étoile, vers la fin de sa vie cosmique, subit un phénomène d'implosion, durant lequel sa masse se concentre dans un faible volume (de l'ordre de quelques centimètres cubes). Comme sa masse est constante, sa densité devient infiniment grande. Ainsi, puisque la force d'attraction est inversement proportionnelle au carré du rayon de l’étoile, celle-ci sera en mesure d'attirer même la lumière.
Mais le changement le plus important qu’apporta Einstein à la physique fut le rejet de la force gravitationnelle de Newton à l’échelle astronomique, qu’il remplaça par la courbure de l’espace-temps. Qu’est-ce que l’espace-temps? L’espace-temps peut être vu comme un gigantesque drap tendu. Lorsqu’on dépose un objet en son centre, par exemple un ballon, le drap se déforme, se courbe, sous l’effet de la masse.
Maintenant, si on envoie un autre objet plus petit, par exemple une balle de tennis, à une certaine vitesse, et que cet objet passe près du ballon, sa trajectoire sera déviée, non pas en raison d’une force d’attraction, mais à cause de la courbure de notre drap. Il en va de même pour l’espace-temps.
Illustration bi-dimensionnelle de la déformation
de
l'espace-temps par la masse d'une étoile
Formation d’un trou noir
Ainsi, plus la masse d'une planète augmente, plus la «courbure» qu'elle crée dans «l'espace-temps» est profonde.
Dans le diagramme
de plongement (voir ci-contre), on constate que plus la densité est grande, plus
l’espace-temps se courbe. Lorsque la densité est infinie, il y a formation d’un
trou noir.
À ce moment-là, on peut supposer que la courbure créée par une étoile ayant subi une implosion est infiniment grande, et comme la force d'attraction de cette planète est infiniment grande aussi, tout corps attiré dans cette courbure n'a plus aucune chance d'en ressortir. Même la lumière qui y pénètre est incapable d’en ressortir. C'est la raison pour laquelle on a attribué à ces étoiles le nom de «trous noirs». On peut maintenant définir un trou noir comme une région de l'espace-temps dont rien, pas même la lumière, ne peut s'échapper, parce que la gravité y est trop forte. Il est à noter qu’il nous sera impossible d’explorer l’intérieur d’un trou noir, et ce pour plusieurs raisons. D’abord, si un astronaute équipé d’une caméra tentait de traverser l’horizon, c’est-à-dire la limite à partir de laquelle plus rien ne peut s’échapper du trou noir, la dernière image qu’on aurait de lui, et pour l’éternité, serait celle correspondant au moment où il a traversé l’horizon. De plus, comme la force d’attraction à l’intérieur d’un trou noir est énorme, la différence de vitesse entre la tête et les pieds de notre pauvre astronaute serait si grande qu’il serait «transformé en spaghetti» avant d’avoir pu noter quoi que ce soit d’intéressant.
Détection des trous noirs
Il existe deux méthodes de détection des trous noirs. La première, plus ou moins efficace, consiste à observer la déviation d’un faisceau de lumière passant à proximité d’un trou noir. Cette méthode peut difficilement être employée, car il faudrait distinguer un faisceau de lumière non dévié provenant d’une étoile de celui dévié par le trou noir. La seconde, qui est celle employée, consiste à rechercher des systèmes binaires où une étoile est jumelée à un compagnon invisible, que l’on suppose être un trou noir. Comme l’attraction du trou noir est extrêmement forte, les photons en provenance de l’étoile se trouveront déviés, et l’étoile prendra une forme oblongue.
Les experts ont d’ailleurs trouvé quelques systèmes comportant ces caractéristiques. Une dernière technique consiste à utiliser des radiotélescopes comme le VLA pour identifier les radiations émises par de la masse tombant dans un trou noir.
Système étoile-trou noir en rotation. Dans les deux cas représentés un disque d'accrétion centré autour du trou noir aspire littéralement le vent solaire provenant de l'étoile visible
Les trous noirs au service de la science-fiction
La théorie des trous noirs a mené quelques astrophysiciens à élaborer certaines théories qui relèvent plus de la science-fiction que de la réalité. La première a trait au voyage entre des univers parallèles. On a indiqué plus haut qu’un trou noir est une courbure infinie de l’espace temps. Certains se sont dit: «Pourquoi cette courbure ne s’ouvrirait-elle pas sur un autre univers, parallèle au nôtre ?».
En passant au travers d’un trou noir, on pourrait voyager entre ces univers parallèles, mais dans un sens seulement. Cependant, il faudrait pour cela qu’on puisse garder le «trou» ouvert.
D’autres affirment plutôt que, si l’univers est recourbé, un trou noir pourrait nous permettre de passer d’un point de la galaxie à un autre. C’est ce qu’on appelle un «trou de ver» (le «wormhole» dans l'émission populaire «Star Trek»). Comme pour le voyage inter-univers, on pourrait utiliser le trou de ver uniquement dans un sens, c’est à dire du trou noir (qui aspire tout) au trou blanc (qui rejette tout).
Trou noir et trou blanc ouvert sur un autre univers ?
Enfin, la dernière contribution des trous noirs à la science fiction a trait à la récupération des déchets. Certains trous noirs possèdent une certaine énergie cinétique axiale du fait qu’ils tournent sur eux-mêmes. Si on construisait une ville autour d’un tel trou noir, on pourrait utiliser cette énergie pour alimenter en énergie cette ville. En envoyant selon une certaine trajectoire les déchets tourner autour du trou noir, ils saperaient une part de l’énergie cinétique du trou noir. C’est ce qu’on appelle l’effet boomerang, employé notamment lors du lancement de certaines sondes spatiales.
Trou noir et principe de récupération des déchets !
Toutes ces hypothèses ne sont encore que de la science-fiction. Il s’écoulera sans doute de nombreux millénaires avant que cela puisse se réaliser. D’ici là, cependant, il nous reste encore beaucoup à découvrir sur les trous noirs. Qui sait quels secrets nous réservent encore ces mystérieux objets du cosmos !
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