Sortie conférence « Trous noirs et ondes gravitationnelles », le 13 Octobre 2016

Conférence présentée par Eric GOURGOULHON du Laboratoire Univers et Théories (LUTH) à l’Observatoire de Paris. 

Liens :

Note : le dernier lien permet d’accéder à la présentation faite à Clermont-Ferrand, mais elle est identique à celle présentée à Tours. 

Les trous noirs

Définition : un trou noir est un objet intensément dense (compact), exerçant une attraction (gravité) si forte qu’il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper : aucune lumière n’est émise du trou noir, c’est pour il est noir !

[Alain Riazuelo, 2007]
Mais pourquoi la lumière ne peut-elle s’échapper ?

Tout objet ou particule pour s’extraire de la gravité doit libérer une poussée suffisante pour s’écarter de sa planète ou de son étoile.

La vitesse de libération (Vlib) d’un objet est égale à  où est la masse de l’objetson rayon et la constante de Newton. Pour nous sur Terre, Vlib doit être supérieure à 11 km/s pour avoir une chance de décoller, c’est le cas d’une fusée.

Donc la lumière ne peut s’échapper d’un trou noir que si Vlib était supérieure à la vitesse de la lumière (300 000 km/s). Il suffit que le rayon d’un objet TRES dense soit TRES grand (ex : > 500 fois le Soleil) pour que la vitesse de libération nécessaire soit plus grande que 300 000 km/s. La lumière auprès d’un tel objet compact est piégée.

John Michell (1738) et Pierre Simon de Laplace (1796) ont eu l’intuition de l’existence des trous noirs. Henri Poincaré et Albert Einstein, en 1905, ont commencé à théoriser les supports mathématiques de l’existence des trous noirs, notamment avec la théorie de la relativité générale.

C’est en 1907, qu’Hermann Minkowski proposera la réunion de l’espace (3 dimensions) et le temps en un « continuum espace-temps ». Le trou noir devient alors un objet céleste possible théoriquement.

Le terme de « trou noir » a émergé, dans le courant des années 1960, par l’intermédiaire du physicien américain Kip Thorne. La première observation d’un objet contenant un trou noir fut celle de la source de rayons X Cygnus X-1 par le satellite Uhuru en 1971.

Les trous noirs ne peuvent se concevoir qu’à partir de la relativité générale et de l’existence de l’espace-temps à 4 dimensions : devant-derrière, gauche-droite, haut-bas et le temps qui s’écoule.

L’expérience de Hafele et Keating, en 1971, a définitivement mis en évidence que le temps s’écoule différemment selon la position et le déplacement de l’observateur.

Ils ont placé deux horloges atomiques dans des avions se déplaçant 48h autour de la planète et constaté un décalage de 0.15 msec par rapport à celle restée sur le sol. Ce décalage des temps est dû à la gravitation.

Dans notre vie de tous les jours, nos GPS tiennent compte de ce décalage des temps envoyés par les satellites, sinon nous aurions une erreur de 28 km.

Un trou noir est une singularié de courbure de l’espace-temps. Il déforme l’espace-temps et dilate le temps près de lui. Il a par conséquent un effet sur la propagation de la lumière dans l’espace en déviant la trajectoire des rayons lumineux.

Contrairement aux idées reçues, les trous noirs ne sont pas :

  • des aspirateurs universels de matière, la matière peut rester en orbite autour des trous noirs en formant un disque d’accrétion;
  • des objets extrêmement denses, mais ils contiennent du vide.

Les physiciens sont capables de décrire le trou noir avec un seul modèle mathématique (Théorème d’Unicité) et deux variables : masse du trou noir et son moment cinétique (rotation). Son rayon se mesure en calculant la surface de l’horizon des évènements. Il existe dans l’univers deux types de trous noirs :

  • les trous noirs stellaires, restes de supernovæ;
  • les trous noirs super massifs au centre des galaxies.

Comment peut-on les voir ?

L’observateur peut voir le disque d’accrétion de la matière près du trou noir.

Images calculées par J.-A. Marck [Marck, CQG 13, 393 (1996)]
La partie jaune est le disque d’accrétion. Le cercle au centre est l’horizon des évènements, après c’est l’inconnu. Si on la traverse, impossible de revenir !

Les trous noirs sont une source d’énergie incroyable. Ils peuvent libérer 42% de l’énergie de la matière (42% de Mc²), comparé à une réaction thermonucléaire qui ne libère que 1% de l’énergie contenue dans le cœur radioactif.

Le plus célèbre et étudié des trous noirs est celui positionné au centre de notre galaxie (Sgr A*). Il est observé en interférométrie grâce aux télescopes VLBI (USA), ALMA et VLT (Chili).

Les ondes gravitationnelles

Ce sont des vibrations de l’espace-temps. Tous les objets célestes « baignent » dans cette « Jelly » intergalactique sans consistance. Lorsqu’un évènement de taille cosmique survient, comme la fusion de deux trous noirs, l’énergie libérée fait vibrer le tissu de l’univers et se propage dans tous les sens. Lors du passage sur Terre, l’espace-temps se met à osciller : le temps se raccourcit puis s’allonge comme un ressort pour revenir à la normal (Ouf !).

Pour les astrophysiciens, les ondes gravitationnelles, mises en évidence récemment par le LIGO aux USA et le VIRGO en Italie, seront une nouvelle façon de voir l’univers et d’observer les trous noirs ou tout autre objet massif. Même une installation comme Nançay va pouvoir détecter les ondes gravitationnelles en chronométrant les pulsars.

Alain L. et Philippe B.

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