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                         Briefing

Voici un rapport confidentiel vous présentant rapidement les trous noirs : c'est un minimum de connaissance à acquérir avant de pouvoir commencer la mission .

Tout d'abord il faut que vous sachiez que l'existence des trous noirs n'a jamais été prouvée , ils sont tout simplement la meilleur explication théorique ( et la plus probable ) à certains phénomènes observés , tel que le mouvement étrange de certains astres ou encore la déviation de rayons lumineux . Mais tout semble prouver que ces objets existent bel et bien , et nous espérons qu'ils existent : c'est l'avenir de notre éxpédition qui en dépend .

L'origine de la relativité restreinte , formulée par Einstein en 1905 et qu'il complètera en 1915 pour donner la théorie de la relativité générale , nous vient d'une expérience assez simple : la mesure de la vitesse de la lumière . Les résultats furent étranges : que l'on se rapproche ou que l'on s'éloigne d'un rayon lumineux , et ce peu importe notre vitesse , sa vitesse est toujours de 300 000 km/s . En effet , lorsque vous croisez un train qui file à 100 km/h , alors que vous marchez à 10 km/h , vous allez voir ce train passer à 100 + 10 = 110 km/h . Cela semble logique , et pourtant ces résultats ne sont pas appliqués avec la lumière , vous la "croiserez" toujours à 300 000 km/s . Ainsi , la vitesse d'un observateur affecte les mesures du temps et les longueurs de telle sorte que que la division de la distance par le temps ne puisse dépasser les 300 000 km/s ( rappelons que la vitesse est le quotient de la distance sur le temps ) .

Ainsi , la base fondamentale de la physique est une combinaison de l'espace et du temps : c'est l'espace-temps . Le temps absolu n'existe pas ( il ne sécoule pas partout de la même manière ) , il est plutôt 4^ème dimension . Selon cette théorie , l'espace-temps pourrait être décrit comme une sorte d'étoffe flexible , et tissée par les trajets de la lumière et des particules . Ces trajets sont des géodésiques . La masse et l'énergie des objets cosmiques déforment l'espace-temps à la manière d'un poids qui serait placé sur une toile tendue ( la toile s'enfonce sous ce poids ) .

Déformation de l'espace-temps Einstein décrit la gravité comme une déformation de l'espace-temps autour d'un objet massif , ici une étoile .

Un trou noir est , à priori , un objet cosmologique , au même titre que les étoiles ou les planètes . Sa particularité vient du fait que sa masse est extrêmement concentrée . Sa densité est en effet plusieurs millions à plusieurs milliards de fois supérieurs aux autres corps que nous connaissons . Du coup , rien ne peut s'en échapper , même la lumière , qui possède pourtant la plus grande vitesse connue , et la vitesse ultime d'après les théories d'Einstein , ne peut s'extraire des trous noirs .

Prenons un exemple : imaginons un homme de 70 kg sur Terre qui se tient debout à la surface du Soleil : à cause de l'attraction gravitationnelle du Soleil , plus importante que celle de la Terre , cet homme pèserait l'équivalent de 2 tonnes ( la masse ne devrait pas changer , seulement le poids , mais c'est beaucoup plus représentatif de cette manière ) . Maintenant , imaginons que l'on puisse comprimer le Soleil : le poids de cet homme augmenterait au fur et à mesure que l'on comprimerait le soleil . La vitesse de libération, qui est normalement égale à 620 km/s sur le Soleil , augmenterait elle aussi . Ainsi , si l'on comprime le Soleil de telle sorte qu'il fasse la taille de la Terre , l'homme pèserait l'équivalent de 25 000 t et la vitesse de libération serait de 6450 km/s . Maintenant , comprimons le Soleil jusqu'à ce que son rayon ne soit plus que de 3 km : la vitesse de libération est de 300 000 km/s , la vitesse de la lumière . D'après la Relativité , rien ne peut se déplacer plus vite la lumière : notre Soleil est maintenant un trou noir auquel rien ne peut échapper . Ce rayon est par ailleurs appelé rayon de Swcharchild , il est propre à chaque corps céleste . Celui de la Terre est de 9 mm : si la Terre était comprimée dans une sphère de 9 mm de diamètre , celle-ci deviendrait un trou noir .

CALCULS [Détails]

( la puissance 1/2 est en fait la racine carré ) Masse du Soleil : msol = 1,989×1030 kg ; Rayon du soleil : rsol = 6,96×108 m Masse de la Terre : mt = 5,98×1024 kg ; Rayon de la Terre : rt = 6,37×106 m Constante de gravitation universelle : G = 6,67×10-11 N.m2.kg-2 Vitesse de la lumière dans le vide : c = 3×108 m.s-1 Intensité de la pesenteur : g = Gm/r2 ; Force de pesanteur : P = mg  ( Attraction gravitationnelle : F = G×MA×MB / d2 ) Vitesse de libération : Vlib = (2Gm/r)1/2 Rayon de Schwarzschild : Rs = (2Gm)/c2 Poids d'un homme de 70Kg sur Terre : P = m × gTerre = 70 × 9,8 = 686 N  Poids de cet homme sur le Soleil : P = m × gSol = 70 × 274 = 19180 N  Soit 28× plus lourd que sur la Terre. C'est pour cela qu'on dit qu'il pèse l'équivalent de 2 t.   Vlib(Soleil) = (2×G×msol / rsol)1/2 = 617 434 m/s Vlib(Terre) = (2×G×mt / rt)1/2 = 11 190 m/s Vlib(Soleil comprimé dans la Terre) = (2×G×msol / rt)1/2 = 6 453 949 m/s Rs(Soleil) = (2Gmsol)/c2 = 2948 m Rs(Terre) = (2Gmt)/c2 = 8,86×10-3 m

En d'autres termes , les trous noirs sont des régions très denses de l'Univers qui possèdent une courbure de l'espace-temps de valeur infinie . En fait ceci se traduit par des géodésiques incomplètes ; la matière et la lumière plongent dans le trou sans pouvoir en ressortir : il n'y a plus continuité de l'espace-temps : c'est un trou noir .

Remarque : un trou noir forme bien un trou dans l'espace-temps , mais il est en fait une sphère ou une elliptoïde dans notre repère classique en 3 dimensions .

Un trou noir C'est un trou dans l'espace-temps , en bleu sont représentés les trajets de particules ( matière ou lumière ) passant à proximité du trou noir : certaines "tombent" dedans .

Les trous noirs sont formés lors de la "mort" d'étoiles massives ( plus de 8 à 10 fois la masse solaire ) . Explication : une étoile est stable tant que les deux forces qui s'exercent sur elle s'équilibrent . Ces deux forces sont :
- l'explosion : cette force est due à la fusion des atomes d'hydrogène qui se transforment en atome d'hélium en libérant énergie et lumière . Cette force pousse l'étoile à grossir .
- la gravité ( ou attraction gravitationnelle ) : cette force est due à la masse de l'astre : toute sa masse est attirée vers son centre . Cette force comprime l'étoile .
Habituellement , ces deux forces s'annulent , mais à la fin de sa vie , une étoile ( sous forme de supernova ) ne possède plus assez de combustible pour entretenir l'explosion : la gravité est alors plus forte et l'étoile s'effondre sur elle-même . Sa taille réduit alors que sa masse ne varie pas : sa densité augmente considérablement , plus rien ne peut en s'en échapper : l'étoile s'est tranformée en trou noir .

Il existe 2 modèles physiques de trou noir : le trou noir de Swcharchild , statique , et le trou noir de Kerr , rotatif . Ce dernier semble par ailleurs être la représentation la plus adaptée car les trous noirs tourneraient sur eux-même . Dans ces deux version , plusieurs points essentiels ne changent pas :

• la singularité est le point central du trou noir où toute sa masse est concentrée . Beaucoup de choses restent hypothétiques sur cette partie . On pense qu'elle pourrait avoir une taille inférieur à celle d'une particule élémentaire , mais une masse de plusieurs millions de masses solaires . Dans le modèle de Kerr , cette singularité est un anneau à cause de la rotation du trou noir .

• l'horizon d'un trou noir ( aussi appellé horizon des évènements ou horizon interne pour le modèle de Kerr ) est " la limite géométrique " d´un trou noir . L'horizon est en fait caractérisé par une vitesse de libération égale à la vitesse de la lumière . Etant donné que rien ne peut ( théoriquement ) dépasser cette vitesse , une fois que quelque chose franchit cette zone de l´espace-temps , elle est inéluctablement aspirée dans le trou noir . Aucune information ne peut nous parvenir de l´intérieur de cette limite puisque rien ne peut en sortir . Cet horizon forme une sphère ( ou une sphère applatie à ses pôles avec la rotation ) dont le rayon est appellé rayon de Schwarzschild ( Rs ) .

• la sphère des photons ( ou horizon externe pour le modèle de Kerr ) est la sphère où l'attraction est juste assez forte pour que les photons soient en orbite . Mais cette sphère est assez instable , et les photons finissent soit par tomber dans le trou noir , soit par se libérer de l'attraction de celui-ci .

• l'ergosphère ( modèle de Kerr ) est la limite d'action du champ gravitationnel du trou noir . Quelque chose pénétrant cette sphère est attiré par le trou noir , mais elle peut encore s'en libérer . Cependant , plus on se rapprochera de l'horizon , plus la vitesse de libération nécessaire pour contrer les effets du champ gravitationnel tendra vers la vitesse de la lumière .

Trou noir statique de Swcharchild [ Cliquez sur l'image pour l'agrandir ]	Trou noir rotatif de Kerr [ Cliquez sur l'image pour l'agrandir ]

On notera les existences de deux types de trou noir :
- les trous noirs stellaires : il en existe sans doutes des millions à travers notre galaxie . Ils ont pour origine la mort d'étoiles massives ( voir " origine des trous noirs " ) .
- les trous noirs supermassifs : ces trous noirs sont présents au centre des galaxies régulières . On ne connait pas encore leur origine : ils sont peut-être né de l'effondrement de toute la matière présente au centre des galaxies , de la fusion de plusieurs trous noirs stellaires , ou ils sont apparus lors du Big-Bang . Leur masse vaut plus de 1 millions de fois la masse du Soleil .

La galaxie d'Andromède Elle abrite en son centre un trou noir supermassif , toute la galaxie est axée et tourne autour de celui-ci . Il en va de même pour notre galaxie : la Voie Lactée .

" Coupure moteur Warp ! " Ca y est , nous y sommes , le centre de La Voie Lactée . Les détecteurs sont formels , la bête est devant nous . Nous passons en propulsion nucléaire pour nous rapprocher d'avantage ...

1)   PREMIER CONTACT

Nous voila maintenant à distance respectable du trou noir . La tension est à son comble ! Que va-t-il advenir de nous ? Pour l'instant , nous ne ressentons rien d'autre que l'effet normal de la gravité produite par une masse ponctuelle ordinaire . Notre commandant de bord ordonne tout de mème à l'équipage d'induire un mouvement circulaire à notre navette spatiale afin de demeurer à orbite stable . L'instant est solennel ! Nous décidons alors d'entamer une lente descente vers les orbites inférieures .

On peut observer une tache sombre apparaître puis grossir progressivement au centre : c'est le trou noir . Alors qu'on avance vers celui-ci , les étoiles semblent s'écarter vers l'extérieur . Ceci est dû à la déviation de la lumière ( les étoiles ne bougent pas réellement ) . De plus , de nouvelles étoiles apparaissent autour du trou noir : elles sont en fait le symétrique d'une étoile située de l'autre côté du trou noir : ceci est aussi dû à la déviation des rayons lumineux . Note : la distance qui nous sépare du trou noir ( exprimée en Rayon de Swcharchild ) figure en haut à droite de l'animation .

2)   L'ORBITE RAPPROCHE

Au fur et à mesure de la descente , la présence du trou noir se fait de plus en plus manifeste . En effet , la gravité , tout à l'heure ressentie faiblement , nous écrase maintenant : notre ordinateur central se met en alerte ! Il nous indique en effet que nous subissons 1 g de différence gravitationnelle entre les pieds et la tête , phénomène appelé force de marée [voir Détails] . Pas d'affolement cependant : malgré une sensation inconfortable , le corps humain est capable de supporter une force de marée de 15 g sans se rompre , capacité qui a été confirmée lors de l'entrainement intensif auquel nous avons été soumis . Il est en revanche dangeureux d'aller immédiatement plus loin sans peine de mettre en danger nos vies : nous décidons donc de demeurer à cette orbite et d' envoyer notre sonde .

LES FORCES DE MAREE [Détails]

L'attraction gravitationnelle décroît avec le carré de la distance entre 2 corps et croît avec la masse de ces corps . Considérons alors une barre de masse non nulle , orientée dans la direction d'un corps massif ( notre trou noir par exemple ) . La force gravitationnelle ( ou attraction ) exercée par ce corps massif sur les différents points de la barre varie puisque la distance entre ces points et le corps varie . En fait , l'extrémité proche du corps et plus atirée que l'autre . La barre subit donc une force qui l'étire : c'est la force de marée .
A notre échelle , cette force est peu perceptible car les variations sont infimes ( c'est elle qui est cependant responsable des marées des océans ) . Par contre , à l'approche du trou noir , l'attraction gravitationnelle devient si grande que les forces de marées deviennent colossales . Elles disloquent tout corps s'approchant trop près du trou noir . Ces forces sont exprimées en différence d'accélération entre deux points d'un objet ( par exemple , les pieds et la tête d'un corps humain ) .

3)   LA SONDE

La sonde descend lentement , en prenant garde de ne pas tomber directement dans le trou noir . De notre navette , nous observons sa descente , pendant laquelle sa couleur vire au rouge car la lumière perd de l' énergie en luttant contre la gravité . Lorsque la sonde atteint 1,5 Rs ( rayon de Schwarzschild ) , sa vitesse de rotation doit approcher la vitesse de la lumière pour avoir une orbite stable . Il nous reste deux choix : soit plonger notre sonde vers le trou noir sans avoir de chance de l'en ressotir, soit l'épargner d' un coup de moteur . Comme l'ESA n' a pas lésiner sur les moyens , le gaspillage de matériel nous est permis : nous sacrifions donc la sonde au nom de la science . Rapidement , la longueur d'onde du laser avec lequel elle communique avec notre ordinateur de bord augmente considérablement en raison de l'effet Doppler gravitationnel relativiste ( effet Redshift ) . Au bout de quelques instants , la sonde traverse l'horizon . Malheureusement, il nous est impossible de savoir ce qu'il advient d'elle : en effet , le facteur de ralentissement du temps augmente à mesure que l' on se rapproche du trou noir , ce qui fait ralentir toute la physique et , par conséquent , la sonde . Arrivée à l'horizon , le temps est finalement arrèté . Comme la longueur d' onde est décalée de façon infinie , le signal qu'elle émet n'est donc plus captable et la sonde devient ainsi invisible . Ayant assisté à la disparition de notre sonde depuis le vaisseau , une question nous envahit tous l'esprit : a-t-elle bien traversé l'horizon du trou noir et , si oui , combien de temps a-t-elle mis ?

4)  NOUS

Après une mure réflexion , il est temps de prendre une décision : soit , ayant observé de près un trou noir , nous décidons que notre mission est achevée et que nous pouvons rebrousser chemin , soit , ignorant le danger et n'écoutant que notre bravoure , nous pénétrons dans le trou noir ! Bien évidemment , la deuxième solution est approuvée à l'unanimité . Nous nous dirigeons vers la salle d'action dans laquelle nous activerons le bouclier anti-gravité à plasma spécialement mis au point par l'association des plus grands laboratoires de physique mondiaux . Celui-ci va nous permettre de nous protéger contre les forces de marrées , la forte température ainsi que les rayonnements de plus en plus intenses qui émanent de la manière tournant autour du trou noir . Une fois le vaisseau protégé , chacun s' installe à son poste : l' astrophysicien aux ordinateurs, le commandant de bord au pilotage, le chef de projet devant les écrans de controle, et le mécano dans la salle des machines, près à intervenir en cas de coup dur. Il faut positionner le vaisseau : l'affaire est délicate , car nous devons pénétrer en plein centre de l'anneau que forme la singularité tout en évitant les jets de plasma du trou noir ... Aprés un interminable compte à rebours, notre vaillant commandant ordonne la mise en marche des réacteurs d' approche lente puis, quelques secondes plus tard, leur coupure. En effet, cette légère poussée s' avère suffisante car, à partir de maintenant, la seule force gravitationnelle du trou noir suffit à nous entrainer inéxorablement vers lui. Par miracle, tout l'équipement de notre vaisseau continue de fonctionner lors de cette déscente au enfer, ce qui nous permet d'atteindre à une vitesse de plus en plus grande l'horizon sans dommage.

 LA SCIENCE NECESSITE T-ELLE LE SACRIFICE HUMAIN ? [Problème philosophique]

La mort fait partie intégrante du programme génétique de tout être vivant et de son évolution . Cependant , la vie de quelques hommes mérite t-elle d'être raccourcit au profit d'une expérience scientifique qui , peut-être , fera progresser le reste de l'humanité ? En effet , on ne sait absolument pas si , même armé de protections suffisantes , la pénétration d'un trou noir n'est pas mortellement dangereuse . Si le théoricien prend peu de risques sur le plan humain, il en va différemment du praticien dont la faute ou l'obstination peut avoir des conséquences fatales .

" Ca y est , nous franchissons l'horizon ! Mais ... Nous ... ... .. . " Signal perdu , fin de transmission .

Voici l'histoire , en bref , des trous noir :
- Fin du XVIII^ème siècle John Michell et Pierre Simon de Laplace prévoient l'existence d'astres si massifs que la lumière reste prisionnière de leur gravité .
- 1916 L'Allemand Karl Schwarzschild , grâce à la théorie de la relativité générale d'Einstein , démontre qu'il existe des astres qui doivent attirer tout ce qui se passe à leur portée en courbant l'espace-temps .
- 1967 Le terme " trou noir " est employé pour la première fois par John A. Wheeler .
- 1979 Peter Young et Wallace Sergent pensent avoir repéré un trou noir au centre de la galaxie M87 , trois milliards de fois plus massif que le soleil .
- 1996 Reinhard Genzel et son équipe pèsent le trou noir au centre de notre galaxie : 2,5 millions de fois la masse du soleil .
- 2001 Le téléscope spatial Chandra révèle la présence de nombreux trous noirs , et apporte un nouvel indice quant à l'existence d'un trou noir au centre de notre Galaxie .
- 2027 La toute première expédition humaine est organisée vers un trou noir dans l'espoir de mieux comprendre leurs effets et surtout de découvrir s'ils sont "traversables" ...

On pourrait bien sûr développer et s'étendre longuement sur chaque partie de ce briefing , mais ce n'est pas le but de notre mission , et le temps nous est précieux : la NASA nous concurrence avec un projet identique . Maintenant , voyons comment détecter ces trous noirs ...         

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