● Comment pouvons-nous détecter un trou noir alors qu’il est invisible?
★ introduction
Les trous noirs, c’est vrai, sont peut-être les bandits de l’espace temps, les pirates de
l’univers ou les corsaires du cosmos. Ils invitent à tout réinventer.
L’idée pourtant est assez simple: si je jette un objet vers le haut, il monte et il
redescend, sauf si je le jette suffisamment fort. Parce qu’alors il va échapper au champ
gravitationnel de la terre et s’envoler pour toujours dans l’espace. C’est ce qu’on
nomme la vitesse de libération (11,2 km/s, soit 40 320 km/h).
Mais si la Terre était contractée par une main de géant, devenant donc, plus dense, il
serait plus difficile de s’échapper de son champ gravitationnel, et par conséquent, la
vitesse de libération augmenterait. Si je poursuis le processus, vient nécessairement un
instant où la vitesse de libération devient plus grande que la vitesse de la lumière.
Nous venons de créer le concept de trou noir, tel qu’il est connu depuis le 18e siècle.
Si la vitesse de libération est plus grande que la lumière, rien, pas même la lumière, ne
peut s’échapper du champ gravitationnel de l’astre considéré. C'est pourquoi les trous
noirs sont… noirs. Ils sont optiquement invisibles.
Alors, l’idée est simple, presque évidente, mais les trous noirs existent-ils vraiment?
Peut-on les voir?
Non, on ne peut pas les voir, parce qu’ils sont trop petits, parce qu’ils sont trop
sombres. Mais, peut-être faut-il se départir du primat que l’on confère usuellement à la
vision: Avez-vous déjà vu l’amour, le ressentiment, la haine, les champs magnétiques?
Pourtant ils existent. Exister, étymologiquement c’est le contrainte d’insister, ça veut
dire avoir des conséquences mesurables sur son environnement. Et ça en effet, on
l’observe: on voit les orbites des étoiles autour du trou noir central de la galaxie, on
voit qu’il y a une masse qui est immense, très petite, et très sombre. C’est exactement
la définition d’un trou noir.
★ présentation
Les trous noirs sont nombreux, il y en a vraisemblablement des centaines de millions
dans notre galaxie, et ils ne sont pas dangereux. Ce ne sont pas, comme on le dit
parfois, des ogres qui dévorent tout sur leur passage. Si le soleil devenait un trou noir,
l’orbite de la terre demeurerait exactement la même, parce que la gravitation est
démocratique. Les trous noirs ne sont pas non plus comme dans certains livres de
vulgarisation, des entonnoirs. Un trou noir n’est pas un trou. Au contraire, il s’agit
d’un astre, fait de matière. Ce sont des sphères, presque parfaites. Des sphères
, caractérisées par une surface qu’on nomme horizon. On ne se heurte pas sur un trou
noir.
Mais si personne ne peut les voir, comment sait-on qu’ils existent?
Ils se créent après la mort d’une étoile très massive. Quand celle-ci meurt, elle produit
une gigantesque explosion: une partie de sa matière est expulsée mais le reste, le
noyau notamment, se concentre sous l’effet de la gravitation en un noyau extrêmement
dense.
Je vais au fur et à mesure vous montrer que les trous noirs existent en prenant pour
exemple les rayons X, les mouvements des objets proches et les ondes
gravitationnelles. Il en existe évidemment d’autres, mais ce sont selon moi les plus
pertinents.
★
Lorsqu'une matière s’approche trop près d’un trou noir, elle forme un disque en
rotation appelé disque d’accrétion, qui chauffe à cause des frottements et émet des
rayons X détectables par des télescopes comme XMM Newton ou Chandra. La
matière absorbée par le trou noir émet aussi des ondes radio détectées depuis la Terre,
utilisées par l’Event Horizon Telescope pour produire les premières images de trous
noirs.
➔ L’expérience menée par l’Event Horizon Telescope consiste à réaliser la
première image directe d’un trou noir, en observant son environnement. Cette
expérience simule un téléscope de la taille de la Terre car on ne peut pas voir
un trou noir avec un télescope ordinaire: il est trop petit et trop lointain.
Pour obtenir une résolution suffisante, les scientifiques ont connecté 8 radiotélescopes
à travers le globe pour simuler un télescope aussi grand que la planète, permettant
d’atteindre une résolution angulaire exceptionnelle: (θ) ≈ λ / D avec λ, longueur
d’onde (∼1,3 mm = 1,3×10⁻³ m) et D, diamètre du télescope (∼12742 km = 1,2742×10⁷
m)
θ ≈ 1×10⁻¹⁰ radians, soit environ 20 micro arcsecondes.
On appelle le rayon de Schwarzschild, le rayon de l'horizon d'un trou noir dont la
charge électrique et le moment cinétique sont nuls. Cela signifie qu'en dessous de ce
rayon tous les photons ont des trajectoires elliptiques et ne peuvent plus s'échapper.
★ introduction
Les trous noirs, c’est vrai, sont peut-être les bandits de l’espace temps, les pirates de
l’univers ou les corsaires du cosmos. Ils invitent à tout réinventer.
L’idée pourtant est assez simple: si je jette un objet vers le haut, il monte et il
redescend, sauf si je le jette suffisamment fort. Parce qu’alors il va échapper au champ
gravitationnel de la terre et s’envoler pour toujours dans l’espace. C’est ce qu’on
nomme la vitesse de libération (11,2 km/s, soit 40 320 km/h).
Mais si la Terre était contractée par une main de géant, devenant donc, plus dense, il
serait plus difficile de s’échapper de son champ gravitationnel, et par conséquent, la
vitesse de libération augmenterait. Si je poursuis le processus, vient nécessairement un
instant où la vitesse de libération devient plus grande que la vitesse de la lumière.
Nous venons de créer le concept de trou noir, tel qu’il est connu depuis le 18e siècle.
Si la vitesse de libération est plus grande que la lumière, rien, pas même la lumière, ne
peut s’échapper du champ gravitationnel de l’astre considéré. C'est pourquoi les trous
noirs sont… noirs. Ils sont optiquement invisibles.
Alors, l’idée est simple, presque évidente, mais les trous noirs existent-ils vraiment?
Peut-on les voir?
Non, on ne peut pas les voir, parce qu’ils sont trop petits, parce qu’ils sont trop
sombres. Mais, peut-être faut-il se départir du primat que l’on confère usuellement à la
vision: Avez-vous déjà vu l’amour, le ressentiment, la haine, les champs magnétiques?
Pourtant ils existent. Exister, étymologiquement c’est le contrainte d’insister, ça veut
dire avoir des conséquences mesurables sur son environnement. Et ça en effet, on
l’observe: on voit les orbites des étoiles autour du trou noir central de la galaxie, on
voit qu’il y a une masse qui est immense, très petite, et très sombre. C’est exactement
la définition d’un trou noir.
★ présentation
Les trous noirs sont nombreux, il y en a vraisemblablement des centaines de millions
dans notre galaxie, et ils ne sont pas dangereux. Ce ne sont pas, comme on le dit
parfois, des ogres qui dévorent tout sur leur passage. Si le soleil devenait un trou noir,
l’orbite de la terre demeurerait exactement la même, parce que la gravitation est
démocratique. Les trous noirs ne sont pas non plus comme dans certains livres de
vulgarisation, des entonnoirs. Un trou noir n’est pas un trou. Au contraire, il s’agit
d’un astre, fait de matière. Ce sont des sphères, presque parfaites. Des sphères
, caractérisées par une surface qu’on nomme horizon. On ne se heurte pas sur un trou
noir.
Mais si personne ne peut les voir, comment sait-on qu’ils existent?
Ils se créent après la mort d’une étoile très massive. Quand celle-ci meurt, elle produit
une gigantesque explosion: une partie de sa matière est expulsée mais le reste, le
noyau notamment, se concentre sous l’effet de la gravitation en un noyau extrêmement
dense.
Je vais au fur et à mesure vous montrer que les trous noirs existent en prenant pour
exemple les rayons X, les mouvements des objets proches et les ondes
gravitationnelles. Il en existe évidemment d’autres, mais ce sont selon moi les plus
pertinents.
★
Lorsqu'une matière s’approche trop près d’un trou noir, elle forme un disque en
rotation appelé disque d’accrétion, qui chauffe à cause des frottements et émet des
rayons X détectables par des télescopes comme XMM Newton ou Chandra. La
matière absorbée par le trou noir émet aussi des ondes radio détectées depuis la Terre,
utilisées par l’Event Horizon Telescope pour produire les premières images de trous
noirs.
➔ L’expérience menée par l’Event Horizon Telescope consiste à réaliser la
première image directe d’un trou noir, en observant son environnement. Cette
expérience simule un téléscope de la taille de la Terre car on ne peut pas voir
un trou noir avec un télescope ordinaire: il est trop petit et trop lointain.
Pour obtenir une résolution suffisante, les scientifiques ont connecté 8 radiotélescopes
à travers le globe pour simuler un télescope aussi grand que la planète, permettant
d’atteindre une résolution angulaire exceptionnelle: (θ) ≈ λ / D avec λ, longueur
d’onde (∼1,3 mm = 1,3×10⁻³ m) et D, diamètre du télescope (∼12742 km = 1,2742×10⁷
m)
θ ≈ 1×10⁻¹⁰ radians, soit environ 20 micro arcsecondes.
On appelle le rayon de Schwarzschild, le rayon de l'horizon d'un trou noir dont la
charge électrique et le moment cinétique sont nuls. Cela signifie qu'en dessous de ce
rayon tous les photons ont des trajectoires elliptiques et ne peuvent plus s'échapper.
