TROUS NOIRS: Un puits dans l'espace-temps

Il y a deux ans, les équipes de l’Event Horizon Telescope diffusait la toute première image d’un des astres les plus mystérieux de l’univers: le trou noir M87*. Incroyablement dense, cette singularité dont la masse fait près de six milliards de fois celle de notre Soleil, plie l’espace-temps pour former un puits qui absorbe tout: même la lumière ne peut pas s’en échapper!

Comprendre la relativité générale

La gravitation universelle
Formule de la gravitation universelle. Selon Newton, la gravité est une force. Crédits: PCCL - Physics - Chemistry

Depuis la publication de l’ouvrage fondamental d’Isaac Newton en 1687, on définit le mouvement des corps célestes par la loi universelle de la gravitation: deux corps génèrent une force d’attraction en fonction de leur masse et de la distance qui les sépare.

Mais au début du XXème siècle, les travaux de l’allemand Albert Einstein ont totalement bouleversé notre vision de l’univers. Avec la théorie de la relativité générale, il démontre que la gravité est en fait le résultat de la déformation de l’espace-temps.

Albert Einstein
Albert Einstein photographié à Vienne en 1921. Selon la théorie générale de la relativité d’Albert Einstein, la gravité n’est plus une force qui agit sur des corps massifs, comme le démontre la gravitation universelle d’Isaac Newton. Au lieu de cela, la relativité générale lie la gravité à la géométrie de l'espace-temps lui-même, et en particulier à sa courbure. Crédits: Ferdinand Schmutzer
"Placez votre main sur un poêle une minute et ça vous semble durer une heure. Asseyez vous auprès d'une jolie fille une heure et ça vous semble durer une minute. C'est ça la relativité. "
Albert Einstein
Prix nobel de physique (1921)
La gravitation universelle
Formule de la gravitation universelle. Selon Newton, la gravité est une force. Crédits: PCCL - Physics - Chemistry
"Placez votre main sur un poêle une minute et ça vous semble durer une heure. Asseyez vous auprès d'une jolie fille une heure et ça vous semble durer une minute. C'est ça la relativité. "
Albert Einstein
Prix nobel de physique (1921)
Albert Einstein
Albert Einstein photographié à Vienne en 1921. Selon la théorie générale de la relativité d’Albert Einstein, la gravité n’est plus une force qui agit sur des corps massifs, comme le démontre la gravitation universelle d’Isaac Newton. Au lieu de cela, la relativité générale lie la gravité à la géométrie de l'espace-temps lui-même, et en particulier à sa courbure. Crédits: Ferdinand Schmutzer

Qu’est-ce que l’espace-temps?

Schématisation de l'espace-temps
Analogie de l'espace-temps en 2D.

Souvent schématisé (de manière grandement simplifiée) sous la forme d’un quadrillage déformable, l’espace-temps est en fait une entité mathématique qui permet de représenter deux notions inséparables qui s’influencent l’une l’autre: l’espace et le temps. 

Défini par quatre dimensions (“x,y,z” pour l’espace et “t” pour le temps), l’espace-temps peut donc être modifié par la matière. Comme des poids posés sur une toile tendue, la masse des étoiles, des planètes et de tous les autres corps célestes déforme et courbe l’espace-temps de notre univers.

Schématisation de l'espace-temps
Analogie de l'espace-temps en 2D.
L'espace-temps
Pour rendre compte de la gravité en relativité, la structure de cet espace-temps à quatre dimensions doit être étendue au-delà des règles de la géométrie classique, où les lignes parallèles ne se rencontrent jamais et la somme des angles d’un triangle est de 180°. En relativité générale, l’espace-temps n’est pas «plat» mais est courbé par la présence de corps massifs. Crédits: Forbes

Comment définit-on un trou noir?

En astrophysique, un trou noir est une singularité dont l’énorme masse génère un champ gravitationnel si puissant que l’espace-temps se courbe et forme un puits. En théorie, un trou noir de la masse du Soleil aurait ainsi un rayon de seulement six kilomètres! 

Infiniment dense, l’anomalie capture toute forme de matière, empêchant même la lumière de s’échapper. Par définition, les trous noirs sont donc invisibles: ils ne peuvent ni émettre, ni diffuser de la lumière. Malgré tout, il existe différents moyens de détecter leur présence, notamment en observant la matière aspirée (disque d’accrétion) ou le mouvement des étoiles voisines.

Le trou noir M87*
Le 10 avril 2019, le gigantesque trou noir logé au cœur de la galaxie Messier 87 (M87), située à 55 millions d'années-lumière, se montrait à nous, sous l'aspect d'un rond sombre au milieu d'un halo flamboyant. Crédits: EHT collaboration
Le trou noir M87*
Le 10 avril 2019, le gigantesque trou noir logé au cœur de la galaxie Messier 87 (M87), située à 55 millions d'années-lumière, se montrait à nous, sous l'aspect d'un rond sombre au milieu d'un halo flamboyant. Crédits: EHT collaboration
Karl Schwarzschild
Karl Schwarzschild (1873-1916)

Le saviez-vous?

Un trou noir entre dans la catégorie des singularités gravitationnelles, c’est-à-dire une région de l’espace-temps au voisinage de laquelle certaines variables physiques approchent l’infini. Le rayon de Schwarzschild, du nom de l’astrophysicien allemand qui a contribué à fonder la théorie du trou noir, définit la distance en-dessous de laquelle aucune matière ou lumière ne peut s’en échapper. Traduit en français, ce nom signifie d’ailleurs “bouclier noir”, une drole de coincidence quand on connait le sujet de ses travaux!

Comment les trous noirs piègent la lumière?

Pour rappel, la lumière se compose de photons, de petits “paquets” d’énergie élémentaires qui se déplacent dans le vide spatial à près de 300 000 kilomètres par seconde. Or, selon la formule d’équivalence E=mc2 rendue populaire au XIXème siècle, toute particule qui contient une forme d’énergie possède par conséquence une forme de masse. Les photons qui composent la lumière peuvent donc eux aussi se retrouver piégés par le champ gravitationnel d’un trou noir!

Trou noir
Gif animé d'un trou noir. Crédits: NASA

Comment se forme un trou noir?

Photo de la supernova SN 1994D (point blanc brillant en bas à gauche de l'image), prise par le télescope Hubble en 1994. Crédits: NASA/ESA

La plupart des trous noirs se forment à la suite d’une supernova, c’est-à-dire l’implosion d’une étoile en fin de vie, comme par exemple une naine blanche ou une étoile à neutrons. Ce phénomène se produit une fois toutes les trois secondes dans l’univers observable. 

L’énergie colossale libérée par l’explosion (une supernova peut émettre plus de lumière qu’une galaxie toute entière) écrase alors le cœur de l’étoile morte, comprimant la matière restante de manière extrême. Si l’étoile s’effondre en-deçà de son rayon de Schwarzschild (c’est-à-dire lorsqu’elle atteint une densité critique), un nouveau trou noir est né!

Souhaitez-vous voir plus d’articles consacrés à l’astronomie et à l’astrophysique? Dites-nous en commentaires quels sujets vous intéressent!

Pierre-Henri Le Besnerais

Photo de la supernova SN 1994D (point blanc brillant en bas à gauche de l'image), prise par le télescope Hubble en 1994. Crédits: NASA/ESA
Supernova
Lorsqu'une étoile massive a explosé dans le Grand Nuage de Magellan, elle a laissé un nuage de débris et de gaz chaud en expansion appelée SNR 0519-69.0. Crédits: NASA/CXC/Rutgers/J.Hughes
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Quentin

Salut, je crois qu’il y a une petite faute dans l’article rien de grave mais sur les coordonnées de l’espace temps ça devrait être x,y,z et t (vous avez marqué z,y,z), voilà voilà sinon super article et merci pour vos explications !