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Posté par Publication le 31/07/2004 à 14:45
Structure d'un trou noir

L'evaporation des trous noirs

De plus en plus d'astrophysiciens commencent à croire que les trous noirs seraient plutôt régis par la mécanique quantique, et non par la théorie de la relativité. Cette nature quantique permettrait au trou noir d'émettre de la 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...), ce qui est contraire à tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) ce qui a été dit jusqu'à présent dans ce dossier. Et qui dit lumière dit énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), ce qui est un synonyme de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de...). Les trous noirs perdraient de la matière: ils s'évaporeraient. Mais ce phénomène est minime. On suppose que pour 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 radiation de...) de 30 Ms, sa luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.) serait de 10^-31 Watts et sa température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...) de 2 X 10^-9 K. C'est une perte d'environ 10^-48 kg par secondes ! On peut négliger cet effet pour certains trous noirs mais pour les trous noirs primordiaux, pour lesquels l'effet est considérable. Ceux-ci peuvent finir, ultimement, par se désintégrer en une explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus...) spectaculaire.

L'interieur des trous noirs

L'une des plus grandes questions posée sur les trous noirs se rapporte a l'intérieur de ceux ci. En effet, de nombreux scientifiques ont tenté de définir ce que l'on trouve à l'intérieur de ces gouffres. Apres de longues recherches, les physiciens ont conclu que la solution la plus probable est l'existence d'une 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 :) (point central du trou noir, de très petite taille, ou toute la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse...) est concentrée). Mais on ne connaît pas sa structure. Toutefois, les physiciens pensent que c'est en quelque sorte un "malaxeur chaotique" qui serait capable de séparer toutes les particules! Cela donnerait donc lieu a une bouillie de matière intense qui serait gouvernée par des lois physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne...) inconnues prenant part a une nouvelle théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) que l'on nomme "gravité quantique (La gravité quantique est la branche de la physique théorique tentant d'unifier la mécanique quantique et la relativité générale.)", un alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.) entre la mécanique quantique (Fille de l'ancienne théorie des quanta, la mécanique quantique constitue le pilier d'un ensemble de théories physiques qu'on regroupe sous l'appellation générale de physique quantique. Cette dénomination s'oppose à celle...) et la théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de relativité date de Galilée. Les travaux d'Einstein en ont fait un important champ d'étude, tant théorique qu'expérimental.). Mieux vaut ne pas savoir ce qui arriverait si un humain y entrait (L'entrait (ou tirant) - terme de charpente - est un élément de la ferme. C'est une pièce de bois horizontale servant à réunir les arbalétriers, et qui est...).

A l'ecoute des trous noirs

Les Trous Noirs sont si denses qu'ils font vibrer l'espace et le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.).
A Cascina, prés de Pise, en Italie, une petite centaine de physiciens, ingénieurs et techniciens italiens et français mettent la dernière main (La main est l’organe préhensile effecteur situé à l’extrémité de l’avant-bras et relié à ce dernier par le poignet. C'est un organe destiné à saisir et manipuler des objets....) à Virgo, un instrument d'un tout nouveau genre. Il s'agit d'un détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été spécifiquement conçu.) de trous noirs. D'ici un an environ, ses deux immenses bras de 3 kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la...) chacun devraient commencer à vibrer au rythme du chant de ces monstres obscurs. Un tressaillement que les scientifiques attendent avec émotion, car il sera la preuve directe de l'existence des trous noirs, explique Patrice Hello (Hello (code AITA : HW ; code OACI : FHE) est une compagnie aérienne charter suisse basée à Bâle pour son siège administratif. Elle gère des vols vers des...), physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les...) à l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) d'Orsay et membre de la collaboration franco-italienne Virgo. Jusqu'ici, en effet, les astrophysiciens n'ont observé que des indices indirects de la présence des trous noirs dans l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). Ils ont suivi le mouvement des étoiles et du gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à...) tourbillonnant 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,...) d'eux, détecté le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) de la matière s'échauffant 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 qu'elle tombait à l'intérieur... Mais rien de direct. Or, pour être sur que derrière ces signes visibles se cachent bel (Nommé en l’honneur de l'inventeur Alexandre Graham Bell, le bel est unité de mesure logarithmique du rapport entre deux puissances, connue pour exprimer la puissance du son. Grandeur sans dimension en dehors du...) et bien des trous noirs, il n'y a qu'un moyen: il faut parvenir à capter directement les vibrations que ces monstres produisent dans 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...). Ainsi, ce que cherchent les scientifiques de Virgo, c'est d'assister à l'effondrement d'une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de...) massive (Le mot massif peut être employé comme :) en un trou noir ou, mieux, suivre la collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) de deux trous noirs.

La preuve par les ondes gravitationnelles: quand deux trous noirs tournent très vite l'un par rapport à l'autre, juste avant de fusionner, ils déforment l'espace temps et émettent des ondes gravitationnelles. En parvenant au détecteur Virgo, ces deux ondes font vibrer ses deux grands bras orthogonaux: l'un se contracte pendant que l'autre s'allonge, et vice versa. Pour évaluer cette déformation, les physiciens envoient deux faisceaux laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain « light...) dans les bras et mesurent alors leur temps de trajet.

Le but est de détecter le rayonnement gravitationnel émis par certaines sources cosmiques. La mise en évidence des ondes gravitationnelles permettrait de mieux tester la théorie de la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux référentiels non-inertiels, est une théorie relativiste de la...) de A. Einstein et d'ouvrir une nouvelle fenêtre (En architecture et construction, une fenêtre est une baie, une ouverture dans un mur ou un pan incliné de toiture, avec ou sans vitres.) d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) en astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des objets...).

Le passage d'une onde gravitationnelle (Dans le cadre de la relativité générale les ondes gravitationnelles sont définies comme les perturbations de la métrique qui du point de vue des équations d'Einstein sont découplées des...) entraîne une déformation de l'espace temps visible par une variation apparente de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme...). La technique interférométrique choisie pour cette mesure est développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales à la courbe.) par l'expérience VIRGO à Cascina, près de Pise. L'interféromètre de Michelson à longue base est formé de deux bras de 3 Km de long. La source lumineuse éclairant l'interféromètre comporte un laser de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) injecté par un laser stabilisé en fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans...). Le faisceau obtenu est filtré par une cavité Fabry-Perot de 140m. Le LAL est responsable de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) du contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.) de la source lumineuse.

Ensuite, les deux bras de l'interféromètre sont placés dans un vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) meilleur que 10-8mb. Le LAL a la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui...) de la conception et du suivi en usine des modules de 12m. qui constituent l'ensemble des 6 Km du tube.

Le contrôle du système de pompage (Le pompage est un phénomène aérodynamique qui intervient dans un compresseur. Il s'agit d'une instabilité aérodynamique qui donne naissance à des ondes...) et le contrôle global en temps réel de l'interféromètre sont réalisés par des logiciels qui configurent l'architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) du système informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement automatique de l'information par des machines...) en ligne.

Enfin, le LAL a pris en charge la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la...) des sources impulsionnelles (du type Supernova) dans les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) de VIRGO.

Le LAL est partie prenante du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une...) franco-italien VIRGO de recherche directe des ondes de gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.), ce projet a été mis en route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie brisée », c'est-à-dire creusée dans la roche, pour ouvrir le chemin.) en 1993. L'expérience est installée à Cascina, près de Pise, en Italie. L'installation des deux bras devrait se terminer en 2002 et permettre le début de la période d'exploitation de VIRGO comme antenne (En radioélectricité, une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émetteur) ou de capter (récepteur) les ondes électromagnétiques.) gravitationnelle. La collaboration VIRGO rassemble une cinquantaine de physiciens, dont 8 du laboratoire du LAL, et une équipe technique de 28 femmes et hommes.

le rayonnement de Hawking

Il peut être intéressant d'étudier ce que l'on peut apercevoir d'un trou noir. Un trou noir est en lui-même totalement invisible, du fait qu'il absorbe toute la lumière qui passe dans son entourage.Il ne peut donc dégager aucune lueur. Mais Stephen Hawking (Stephen W. Hawking, CH, CBE, FRS, FRSA, est un physicien théoricien et cosmologiste anglais, né le 8 janvier 1942 à Oxford. Hawking a été professeur de mathématiques à...) a montré qu il était possible que tous ces trous noirs émettent un rayonnement direct !

D'après plusieurs principes, nous admettrons qu'une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) de particules (particule - antiparticule) peut apparaître à partir du vide à condition qu'elle s'annihile peu après. Près de l'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se décline en physique, philosophie, littérature, et...), une des deux particules peut pénétrer dans 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...). Sans partenaire avec qui s'annihiler, la particule restante acquiert une existence réelle. Ainsi le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens...) de ces particules résultantes équivaut à un rayonnement thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents...) dit Hawking. Cependant ce phénomène très faible ne permet pas de détecter un trou noir de manière sûre Cependant, Hawking a montré qu'il était en fait possible de capter du rayonnement qui en fait provient du trou noir. Ce raisonnement se base sur les fluctuations du vide quantique et le principe d'incertitude d'Heisenberg appliqué à l'énergie et au temps. En effet, ce principe autorise la violation de la conservation de l'énergie pendant un court instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une durée.). Une paire de particules peut donc apparaître à partir du vide à condition qu'elles s'annihilent peut après. Si ce phénomène se produit près de l'horizon d'un trou noir, une des deux particules peut pénétrer l'horizon sans l'autre. La première va alors être absorbé et pas l'autre. La paire ne s'annihilera donc jamais et la particule résultante va continuer son trajet et pouvoir être captée par un observateur. C'est ce qu'on appelle le rayonnement de Hawking. Cependant ce phénomène reste très faible et ne permet pas de détecter un trou noir de manière sûre.

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