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Posté par Publication le 31/07/2004 à 14:45
Caractéristiques et effets approchés d'un trou noir

Caractéristiques d'un trou noir

Bien que le trou noir soit mystérieux, il ne possède pas une structure compliquée. Mais il possède certaines caractéristiques qu'il faut tout de même définir. Tout d'abord, trois paramètres physiques permettent de différencier un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper (à l'exception notable de la...) d'un autre: sa masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la...), le moment cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) de son spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge...) et sa charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.). Les trous noirs ne peuvent pas posséder une charge non nulle, car la répulsion repousserait les particules chargés du même signe à l'extérieur et attirerait celles de signe opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à ajouté à n donne zéro. En botanique, les organes d'une plante sont dits opposés...), ce qui aurait comme effet de neutraliser la charge. D'un autre côté, tous les trous noirs possèdent une masse propre, mais ils n'ont pas tous un moment cinétique. On définit les trous noirs non rotatifs de trous noirs de Schwarzschild et, ceux qui ont un spin sont appelés trous noirs de Kerr. Jusqu'ici, seuls les trous noirs non rotatifs étaient concernés parce qu'ils sont incroyablement plus simples que les trous noirs de Kerr. La principale raison de cette complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en...), c'est que la courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins courbé » de cet objet. Par exemple :) de l'espace aux alentours d'un tel objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui...) ressemble à un tourbillon; tourbillon qui oblige toute particule se trouvant à l'intérieur d'un certain rayon critique à être en mouvement. L'espace-temps (La notion d'espace-temps a été introduite au début des années 1900 et reprise notamment par Minkowski en 1908 dans un exposé mathématique sur la géométrie de l'espace et du temps telle qu'elle avait...) à proximité d'un de ces objets ressemble à la figure ci-dessous. Par la suite, nous ne parlerons que des trous noirs non rotatifs.

La sphère de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules...) (Photon sphere)

Elle est nommée ainsi parce que c'est la couche correspondant à l'orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) photonique. Elle est située à 1,5 Rs. Sur cette sphère, l'orbite des photons est néanmoins instable. Après quelques tours, deux "possibilités": soit ils plongent vers le trou noir (Le Trou noir (The Black Hole) est un film de science-fiction réalisé par Gary Nelson, produit par la Walt Disney Pictures et sorti en 1979. L'histoire est inspiré du...), soit ils s'en échappent.

L'horizon (Event horizon)

L'horizon se trouve à 1 Rs et est caractérisé par une vitesse de libération (La vitesse de libération (aussi appelée vitesse d'évasion, vitesse parabolique, vitesse de fuite, ou vitesse d'échappement, en anglais escape velocity) d'une...) égale à la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour « célérité », la lumière se manifestant macroscopiquement comme un phénomène ondulatoire), est une constante physique,...). C'est le point (Graphie) de non retour, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) ce qui traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et l'inclinaison, et transmettre au...) cette barrière est perdu à jamais: il rencontrera inévitablement la singularité (D'une manière générale, le mot singularité décrit le caractère singulier de quelque chose ou de quelqu'un. En particulier, le terme est employé dans les domaines suivants :).

La singularité

Le terme singularité signifie quelque chose de singulier, d'unique. C'est le point central du trou noir, où toute la masse du trou noir est concentrée. Elle mesurerait environ 10-35 m, mais aurait une masse énorme (au moins 3 Masses Solaire). Il existe plusieurs théories concernant l'intérieur d'un trou noir qui sont toutes différentes les unes des autres.

Que se passe t-il aux alentours d'un trou noir ?

Imaginons un équipage de terriens, à bord d'un vaisseau spatial qui voyagerait aux abords d'un trou noir. Nous allons décrire les différents phénomènes que ces derniers pourraient ressentir au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île couvre une superficie de 22 km². Elle est située dans la Municipalité de Skive.) et à mesure de leur approche de celui-ci.

L'approche

A une distance assez élevée, l'équipage ne ressentirais rien d'autre que l'effet normal de la gravite. Mais le vaisseau doit tout de même avoir un mouvement circulaire autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis,...) de ce trou noir pour rester à distance constante et ainsi pouvoir calculer la masse du trou noir. Ce trou noir n'est pas visible, seule l'est une concentration anormale de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm...) formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur...) un halo est visible (voir image ci-dessous). En calculant leur période de rotation (La période de rotation désigne la durée mise par un astre (étoile, planète, astéroïde) pour faire un tour sur lui même. Par exemple, la Terre a une période de rotation d'environ 24 heures.) et leur distance par rapport au trou noir (a l'aide de formule relative à l'effet de lentille), l'équipage peut alors découvrir la masse du dit trou noir. Ils peut décider d'entamer une lente (La Lente est une rivière de la Toscane.) descente vers les orbites inférieures. Ils doivent augmenter la vitesse (On distingue :) de leur vaisseau, qu'ils calculeront à l'aide des calculs sur les lois de la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) fait par Newton. (Le trou noir pris en exemple pour cette démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir de propositions initiales, ou précédemment...) a une masse solaire (En astrophysique, la masse solaire est l'unité de masse conventionnellement utilisée pour les étoiles ou les autres objets massifs. Elle est égale à la masse de notre Soleil. Son symbole et sa valeur sont :) de 3000 Ms et un Rs de 8850 Km)

ou

Où v est la vitesse de rotation, G la constante gravitationnelle, M la masse du trou noir et r la distance radiale, k la distance radiale en Rs, c la vitesse de la lumière.

L'orbite rapprochée

Lorsque l'équipage arrive à une distance de 5 Rs du trou noir, l'équipage ressent ce qui est appelée une force de marée (La force de marée est une conséquence du gradient gravitationnel s'exerçant sur le diamètre d'un corps. Elle est observable dans tout champ gravitationnel mais plusieurs cas particuliers sont connus et plus...). A cette distance, l'équipage subit une différence gravitationnelle de 1 G entre la tête et les pieds. Bien que cela représente une sensation confortable, cela n'à aucun impact sur l'équipage (le corps humain (Le corps humain est la structure physique d'une personne.) peut subir une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale »...) de marée (La marée est le mouvement montant (flux ou flot) puis descendant (reflux ou jusant) des eaux des mers et des océans causé par l'effet conjugué des forces de gravitation de...) de 15 G sans se rompre; cette force serait atteinte a 2 Rs de ce trou noir). Plus ils se rapprocheront, plus la force ressentie sera grande. A une certaine distance, l'équipage sera en danger car cette force sera trop grande. Ils décident alors d'envoyer une sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà. Cela couvre à...) vers le trou noir.

La sonde

Cette sonde descend lentement, les humains la commandant prenant garde à ne pas la faire chuter directement dans le trou noir. Toutefois, lorsque elle est a une distance équivalent a 1.5 Rs du trou noir, sa vitesse doit égaler celle de la lumière pour conserver une orbite stable. Il reste deux choix a l'équipage: sacrifier la sonde ou la faire ressortir à l'aide d'un grand coup de moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail...). Ils décident de la sacrifier au nom de la science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au...). Plus elle approche du trou, plus la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet complètement...) d'one du laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient...) avec lequel elle communique avec l'équipage est allongée. C'est l'effet Doppler gravitationnel relativiste qui fait son effet (voir glossaire). Rapidement, la sonde va dépasser l'horizon. Mais à ce moment, que va-t-il vraiment se passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) ? En effet, le facteur de ralentissement (Le signal de ralentissement (de type SNCF) annonce une aiguille (ou plusieurs) en position déviée qui ne peut être franchie à la vitesse normale de la ligne.) du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) augmente à mesure que l'on se rapproche du trou noir, ce qui a pour effet de ralentir tous phénomènes physiques, et donc la sonde. Rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de modélisation 3D comportant à la fois...) à r=Rs, ce facteur de ralentissement est infini (Le mot « infini » (-e, -s ; du latin finitus, « limité »), est un adjectif servant à qualifier quelque chose qui n'a pas de limite en nombre ou en taille.) ce qui signifie donc que le temps est arrêté. Mais alors, combien de temps sera nécessaire à la sonde pour traverser cet horizon ? On peut trouver deux réponses, qui dépendent de la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les figures d'autres types d'espaces (géométrie...) que l'on choisit. Si l'on choisit la géométrie de Schwarszchild (c'est-à-dire les lois d'Einstein, que l'on a vu appliqué sur la simulation ci-dessus), elle mettra un temps infini. Si l'on utilise une géométrie normale, le passage se fera instantanément. Mais de toute façon, on considère qu'une masse atteignant ou dépassant l'horizon fait partie intégrante du trou noir car il est impossible qu'elle en ressorte.
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