Trous noirs: définitions et expériences

Les auteurs de ce dossier sont Cédric Fraioli et Eric Thian, un grand merci à eux. Plus de détails sur les auteurs sont disponibles sur leur site: lien

Ce dossier présente de manière simple ce que sont les trous noirs et propose des expériences permettant de simuler la courbure de l'espace temps. Il fait également une ouverture sur les trous de vers.

Il nous a semblé tout d'abord essentiel de définir certains termes spécifiques aux trous noirs, de façon à ce que le bilan de notre recherche puisse être étudié par tous et non pas seulement par des spécialistes du domaine scientifique.

Un Trou Noir est une région de l'espace dotée d'une attraction si intense qu'aucun corps ni aucun rayonnement ne peut s'échapper de son voisinage et qui n'émet donc aucun rayonnement électromagnétique (champ dont le vecteur est le photon): par conséquent il n'est pas visible directement c'est pourquoi on l'appelle "trou noir". Un Trou Noir est essentiellement caractérisé par son centre, défini par une sphère imaginaire qui est le dernier point d'où la lumière peut nous parvenir, appelée horizon du trou noir. Dans ce centre, la densité de matière est infinie et d'où on ne peut tirer aucune observation puisque rien ne peut en sortir. Au delà de l'horizon, la vitesse de libération devient inférieure à la vitesse de la lumière et une particule est susceptible de s'échapper. Ainsi, cette région apparaît noire. La zone spatiale qui entoure le Trou Noir au-delà de l'horizon et qui attire les corps situés à proximité est appelée ergosphère.

Il existe plusieurs sortes de trous noirs, et il en existe un nombre gigantesque dans tout l'espace, même dans notre galaxie.

Les trous noirs se forment tous de la même manière: ils résultent de l'effondrement d'une étoile sur elle-même, une fois que l'étoile a brûlé tous ses carburants nucléaires. Elle va alors se "compresser", à cause de sa propre gravitation, et va être caractérisée par une très grande masse dans un tout petit espace: ce sont les caractéristiques essentielles d'un trou noir.



L'espace temps est un repère défini par Einstein dans le modèle de la relativité générale, afin de modéliser les 4 dimensions: 3D de l'espace plus le temps.

Cet espace temps à la particularité de se déformer plus ou moins selon la masse des corps situés dans ce repère.

Illustration d'un type courant de trou noir: le trou noir de Kehr

Comment un trou noir modifie t-il et déforme t-il l'espace-temps ? Telle est la problématique à laquelle nous allons tenter de répondre dans cette page.

Il convient d'étudier les déformation que provoque le trou noir et par conséquent sa masse, sur le repère défini par Einstein, ainsi que les conséquences de ces déformations sur la matière et également sur la lumière.

En 1915,Einstein établit sa théorie de la relativité qui décrit la gravitation comme une courbure de l'univers. Cet Univers est représenté par l'espace-temps. Ainsi, tous les corps présents dans cet Univers courbent cet espace-temps et influent sur les autres corps célestes. Plus le corps céleste est massif, et plus celui-ci courbe l'espace-temps. Un trou noir correspond à une zone de l'espace déformée par une masse énorme concentrée sur une toute petite surface. Cette concentration entraîne une déformation de l'espace en forme de puits, un peu comme quand on se tient en équilibre sur un pied sur un matelas à ressorts. Mais la pente est beaucoup plus verticale dans le cas du trou noir.

Simulation d'un effondrement gravitationnel dans la structure g(x,y,z,t)


En fait, l'espace-temps est un espace qui possède 4 dimensions: 3 d'espace et une de temps. La gravitation est comme une accélération dans l'espace-temps.

A cause de cette forte gravitation on dit qu'un trou noir est un corps en perpétuel effondrement. L'espace-temps est si courbé qu'il existe une zone où il est déchiré, où la gravitation est considérée comme infinie.

Illustration de la déformation de l'espace-temps par un trou noir: un "puits vertigineux"


En effet, selon le théorie de la Relativité Générale, toute masse courbe l'espace-temps de sorte que tout objet dont le mouvement est uniquement causé par sa gravité soit en chute libre. Ainsi dans le cas du trou noir, un objet atteindra la vitesse de le lumière en arrivant au niveau de son horizon. Cela signifie que la courbure de l'espace-temps devient infinie à partir de ce point. En conséquence, le temps doit théoriquement se stopper au niveau de cet horizon par rapport à un observateur externe à cet horizon.

Pour conclure la problématique, avec Einstein, le poids d'un objet est une distorsion de l'espace-temps autour de celui-ci. C'est pour cela que nous allons représenter l'espace-temps comme un plan en 2 dimensions qui se déforme en fonction de la masse.

Ainsi on peut comprendre la définition d'Einstein: en effet les coordonnées d'espace et de temps de notre plan chutent dans la déformation du repère créée par le poids, c'est ce que l'on appelle la gravitation. La proximité d'un corps massif dévie donc la trajectoire d'un rayon lumineux ou d'un corps.

Afin de visualiser ce phénomène nous avons réalisé une expérience consistant à placer sur une pâte tendue, représentant le plan défini précédemment, divers objets de masse différente.



On peut voir sur cette photo que le poids de la balle, représentant un corps céleste, entraîne une déformation du plan. Cette déformation correspond à un champ gravitationnel qui va attirer vers sa source, ici la balle, les corps à proximité dont la vitesse n'est pas assez grande pour s'arracher aux forces mises en jeu.

A ce moment là, les forces de gravitation supplantent celles qui permettaient à l'étoile de rester stable et l'étoile s'effondre sur elle-même. Dans le cas du trou noir, l'effondrement est sans limites. Le volume de l'étoile ne cesse alors de diminuer, tendant vers zéro. Durant cette phase, l'étoile ne perd pas de matière. La masse de l'étoile reste donc constante. Ce point de volume nul et donc de densité infinie, vers lequel tend le corps ainsi formé est appelé singularité.

Si on se replace dans notre repère défini précédemment, voilà ce que l'on observe:


On voit bien que la pente est plus forte que précédemment. Cela correspond à une plus grande gravité. Ainsi, au fur et à mesure que l'étoile s'effondre, la gravité devient de plus en plus forte. On observe ici que la pâte se perce à l'endroit où reposait la boule, qui symbolisait le trou noir. Il en est de même pour l'espace-temps: la densité du trou noir entraîne une déformation tellement forte que l'espace-temps se déchire au niveau de la singularité du trou noir.

Un des intérêts de l'étude de notre problématique est l'ouverture à des théories concernant pour la plupart le voyage dans le temps. Plusieurs théories existent concernant la possibilité de ce voyage. La plus étonnante et la plus fascinante est celle des trous de ver.

On ne peut pas connaître simultanément la position et la vitesse d'une particule, selon le principe appelé "principe d'incertitude d'Heisenberg". A chaque fois qu'une particule peut avoir plusieurs états simultanément, il se crée des univers correspondant aux différents états possibles. Il se crée donc à chaque instant une infinité d'univers parallèles. Mais, contrairement à ce que dit la série télévisée "Sliders", il est impossible de voir un autre univers et encore moins de voyager entre 2.

Ces univers parallèles n'ont probablement pas les mêmes lois physiques que le notre. Il est donc tout à fait possible d'imaginer un univers dans lequel la flèche du temps ne pointe pas vers l'avenir mais vers le passé, ou encore un univers à x dimensions... Cependant, certains physiciens affirment qu'il est possible qu'il se crée en certains points de l'univers d'autres univers à partir des trous noirs, dans ce cas pourquoi ne pas voyager dans un trou de ver?

Voici un petit schéma explicatif:


En théorie, un corps qui serait aspiré par un trou noir pourrait ressortir soit dans un autre univers, soit dans une autre époque (passé ou futur). En réalité il est impossible qu'un corps résiste aux conditions extrêmes qui règnent dans un trou noir, et une personne qui rentrerait dans un trou de ver ne pourrait jamais en ressortir pour témoigner de son expérience...

Cette théorie est intéressante en tant que telle et il faudra donc encore un peu de patience avant effectuer des voyages entre deux univers !