Fascinant, troublant, déroutant, le trou noir ne cesse d’alimenter la plume de tous les scénaristes et écrivains de science fiction. Mais qu’est-ce qu’un trou noir, et comment se forme-t-il ?
Comme son nom pourrait nous le faire croire, un trou noir n’est pas constitué de vide. Bien au contraire, il contient une incroyable quantité de matière dans un tout petit secteur. À titre de comparaison, imaginez la France et tout ce qu’elle contient, et mettez-la dans votre poche. La densité de votre poche deviendra alors si forte qu’elle attirera à elle tout ce qui l’entoure.
Un trou noir est un point de l’espace avec une attraction gravitationnelle si forte que rien autour ne peut y résister, pas même les photons. Les photons sont des particules élémentaire des ondes – dont les ondes lumineuses.
La relativité générale comme point de départ
La notion de trou noir ne prend sens que lorsqu’on lui associe la théorie de la relativité générale. Dans cette dernière, l’espace-temps est courbé par la masse. Plus un objet est massif, plus l’espace temps sera courbé. Par exemple, la masse du Soleil déforme l’espace-temps. Ainsi, la Terre tourne autour du Soleil en semblant subir son attraction, mais l’explication est qu’elle emprunte la courbure de l’espace-temps qu’a induit la masse du Soleil. S’il n’y avait pas cette distorsion, alors la Terre filerait droit dans l’espace.
Un trou noir a une densité tellement importante qu’il donne lieu à un puits gravitationnel extrêmement profond qui déchire l’espace-temps. La courbure engendrée est si forte que rien ne peux sortir de ce puits.
Lire aussi : La théorie de la relativité générale d’Einstein à l’épreuve du temps
Comment se forme un trou noir ?
Afin d’échapper à l’attraction d’un objet massif, il est nécessaire d’avoir une vitesse suffisamment élevée. Celle-ci s’appelle la « vitesse de libération ». Par exemple, si l’on veut envoyer une sonde vers une autre planète, il est important de la propulser au-delà de la vitesse de libération de la Terre. La vitesse de libération de la Terre est de 11,2 km/s, celle de la Lune est de 2,4 km/s, tandis que celle du Soleil est de 617,5 km/s. Ainsi, plus la masse d’un objet est grande, plus la vitesse de libération augmente. Il est aussi important de noter que la vitesse de libération dépend d’où nous nous situons par rapport au centre de la planète. Il est plus facile de s’échapper de l’attraction terrestre lorsque nous sommes déjà à 10 000 km d’altitude que lorsque nous partons depuis la surface de la croûte terrestre.
Ainsi, on pourrait imaginer une étoile si massive que la vitesse de libération serait égale – voire supérieure – à la vitesse de la lumière (300 000 km/s). Cela signifierait donc que rien, même pas la lumière, ne pourrait s’échapper du champ gravitationnel de l’étoile.
Ce que nous avons vu précédemment est purement théorique, il faut maintenant s’intéresser concrètement à ce qu’il peut se passer afin d’aboutir à la formation d’un trou noir. Pour cela, il est nécessaire de s’intéresser à la vie d’une étoile.
Début de vie d’une étoile qui donnera naissance à un trou noir
Une étoile est une immense sphère de gaz constituée en grande majorité d’hydrogène et d’hélium. Le gaz ne s’échappe pas de l’astre car il est emprisonné par la gravité. Les atomes d’hydrogène deviennent si compressés et comprimés au sein de la sphère stellaire que la seule solution pour qu’ils puissent coexister est de fusionner leurs atomes. Cette fusion nucléaire des atomes d’hydrogène entraîne la formation d’hélium. La quantité d’énergie émise lors de cette réaction est si forte qu’elle va concurrencer l’action gravitationnelle qui soumet l’hydrogène. L’énergie émise par la fusion nucléaire créée des forces contraires à celle de l’attraction, ce qui va établir un équilibre au sein de l’étoile. Cette force contraire se nomme « pression de radiation ». L’énergie intense produite par la fusion nucléaire provoque inéluctablement de la chaleur, et lorsque les électrons sont arrachés à l’hydrogène, l’étoile est alors à l’état de plasma.
Fin de vie d’une étoile qui donnera naissance à un trou noir
L’hélium formé par la fusion nucléaire s’agglutine ensuite au centre de l’étoile, et accentue la force gravitationnelle. Ainsi, la densité de l’étoile augmente, ce qui va entraîner des réactions nucléaires plus intenses entre les atomes d’hydrogène, l’hélium et les autres éléments créés par la fusion. Cela est fait afin de rééquilibrer la stabilité entre les deux forces qui s’opposent. C’est en partant de la fusion de l’hydrogène en l’hélium au sein des étoiles, que vont ensuite pouvoir être formés tous les autres éléments du tableau périodique par des fusions en cascade !
Mais il arrive un moment où dans la vie d’une étoile, la fusion nucléaire ne peut plus compenser la force gravitationnelle de l’étoile – qui augmente petit à petit. Ainsi, le noyau de celle-ci se contracte, et les particules se trouvent comprimées au centre de l’étoile. Toutes ces réactions ont pour but de remplacer le manque de fusion nucléaire, qui permettait à l’étoile d’avoir une stabilité entre les deux forces opposées (force gravitationnelle de l’étoile et pression de radiation).
Mais, la pression contraire à la gravitation ne se nomme plus ici pression de radiation, mais pression de dégénérescence. À ce moment-là , la densité de l’étoile est énorme. En effet, le poids que contiendra 1 cm³ du noyau est renversant : 100 millions de tonnes !
Si une étoile devient 3,2 fois plus massive que la masse du Soleil, la force de dégénérescence n’est plus assez forte pour contrer la force de gravité. L’étoile n’aura plus d’autre choix que de s’effondrer sur elle-même, en un point incroyablement minuscule qui contiendra toute la masse du noyau, et deviendra ainsi un trou noir !
Comment un trou noir déforme-t-il l’espace-temps ?
Lorsqu’un l’espace-temps est déformé, non seulement l’espace est modifié (ce qui explique comment la Terre tourne autour du Soleil), mais le temps change aussi. En effet, la relativité générale associe étroitement ces deux aspects, et elle permet de dire que plus une masse est importante, plus le temps ralentit aux alentours de l’objet.
Prenons deux personnes : A et B. A est loin d’un objet massif, tandis que B est tout proche de celui-ci. A a l’impression que B va au ralenti. Mais B ne ressent pas de ralentissement, et pour lui le temps passe normalement.
Ainsi, le temps s’écoule moins vite sur Terre que sur la Lune. Mais leur masse n’est pas assez importante pour que la différence d’écoulement du temps soit perceptible entre les deux. Pour les plus curieux : une explication concrète sur nos GPS, pour expliquer et prouver la différence d’écoulement du temps, est disponible en dernière partie de cet article.
En revanche, la masse d’un trou noir est telle que l’écart de la fuite temporelle entre quelqu’un aux abords d’un trou noir et une personne éloignée qui observe la première personne est évidente. Imaginons par exemple une personne qui s’approche à proximité un trou noir, et vous, un spectateur qui admire le spectacle. Vous vous apercevrez que votre ami semble quasiment immobile, et l’heure et la date indiquées par son smartphone ne changeront que très peu dans le temps – même après des années et des années d’observation. Quant au courageux voyageur, il vous verra vieillir et mourir dans la journée. Il pourra même se désoler en assistant à la destruction du Soleil – et par conséquent de notre planète. Ainsi, le temps devient relatif en fonction de la distorsion de l’espace-temps qu’induit un objet de masse importante.
Pour aller plus loin : les satellites de nos GPS utilisent la relativité générale et prouvent la distorsion de l’espace-temps
Afin que les satellites œuvrant pour nos GPS puissent fonctionner correctement et précisément, ils utilisent la prédiction de la relativité pour nous orienter dans la bonne direction.
La relativité générale indique que le temps est ralenti pour les objets en mouvement. L’horloge du satellite retarde d’environ 7 microsecondes par rapport à nous au bout d’une journée (car il est en orbite à une vitesse de 14 000 km/h). Le récepteur de notre GPS reçoit le signal du satellite avec 7 microsecondes de retard. S’il ne prenait pas en compte le retard du satellite, nous serions à deux kilomètres de l’endroit indiqué par notre GPS. En effet, il convient de multiplier le retard de l’horloge par la vitesse de la lumière (vitesse à laquelle le signal du satellite se propage).
De plus, la relativité générale indique que le temps s’écoule plus lentement dans un champ gravitationnel plus intense. Ainsi, les horloges atomiques sur Terre affichent un retard de 45 microsecondes par rapport à celles des satellites. Donc si on fait 45 moins 7, on détermine que chaque jour, l’horloge du satellite compte 38 microsecondes de plus jour après jour. Si le récepteur ne prenait pas en compte ce retard, alors chaque jour il y aurait un décalage de 11 km sur l’indication de notre GPS !
Sources : NASA – Trou noir – Science étonnante – Astronomes
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