Pourquoi les trous noirs sont-ils noirs?

La question

Les astrophysiciens en sont aujourd’hui presque sûrs : les trous noirs existent, et il y en a même un au centre même de notre galaxie, la voie lactée ! Les trous noirs sont des objets célestes très présents dans les films et ouvrages de science-fiction, mais savez-vous pourquoi les trous noirs sont noirs ?

La réponse

La réponse repose sur le principe de la force de gravité ! Cette force, qui nous maintient les deux pieds sur terre, est très intense au niveau des trous noirs, si intense que même la lumière ne peut en réchapper ! Historiquement deux explications pour le phénomène de trous noirs ont été émises. La première repose sur la vision classique de la gravité, telle qu’énoncée par Newton, la seconde se fonde sur la théorie de la relativité générale d’Einstein. Intéressons-nous tout d’abord à la première!

Le trou noir selon la physique classique

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La force de gravité :
Prenez votre stylo et lâchez-le : nous sommes prêts à parier que celui-ci chutera jusqu’au sol ou sur la table ! Si votre stylo chute, c’est parce cet objet possède une masse et est de ce fait soumis à la force de gravité exercée par la Terre.
Cette loi de gravité fut énoncée par Isaak Newton et modifiée par Einstein. Elle décrit l’existence d’une force d’attraction réciproque des corps sous l’effet de leur masse. La Terre, de par sa masse (notre planète pèse environ 6.1024kg !), exerce sur nous une forte force d’attraction et nous exerçons sur elle également une force d’attraction, même si, au vu de la masse de notre planète, la force que nous exerçons sur elle est infime.
 
Les principes énoncés par Newton sont relativement simple :
  • Plus un corps a une masse importante, plus il exercera une attraction forte. Ainsi, sur la lune, les astronautes sont capables de faire des bonds prodigieux. En effet, la force d’attraction de la lune, qui est plus petite que la terre, est plus faible que la pesanteur que nous subissons ici-bas.
  • Plus les corps sont éloignés l’un de l’autre moins ils s'attirent. Une fusée qui décolle va finir par « s’arracher » de l’attraction terrestre en s’éloignant de la planète. Les astronautes dans cette fusée sont alors en apesanteur, ils ne sont plus soumis à l’attraction terrestre, du fait de leur éloignement.
Avez-vous déjà vu une fusée décoller ? Vous avez surement remarqué les énormes réacteurs qui lui permettent de s'élever du sol… En effet, pour s’arracher de l’attraction terrestre, nos fusées doivent atteindre une certaine vitesse, dite vitesse de fuite, proche de 11km/seconde. En 1796 que Pierre-Simon Laplace -mathématicien de son état- imagine un objet capable d’exercer une très grande force de gravité. Imaginons un vaisseau posé sur cet objet qui souhaite décoller et s’échapper loin de lui. Laplace calcule alors que dans certaines conditions, la vitesse nécessaire à notre fusée pour s’arracher de la force de gravité qu’exerce l’objet est supérieure à la vitesse de la lumière (300 000 Km/s) ! Il en conclut alors qu’aucune lumière ne pourrait s’échapper de cet objet. Or une absence de lumière est ce que nos yeux décrivent comme « noir » ! Un trou noir est alors un singularité si dense, si lourde, que même les photons de lumières ne peuvent en réchapper, si bien qu'il nous paraît noir.

Le trou noir selon la relativité générale

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La relativité générale :
Cette théorie est complexe, et il n’est pas question ici de l’énoncer dans sa totalité, ou d’explorer en profondeur cette passionnante vision de l’univers. Nous nous bornerons ici à comprendre les bases de la relativité générale.
 
Einstein modifie la loi de gravité de Newton en énonçant sa théorie de la relativité générale.
Pour lui, cette force d’attraction est en réalité provoquée par la distorsion de l’espace-temps par un corps. Posez une bille sur un drap tendu : celle-ci provoquera une petite inflexion du drap, posez maintenant une boule de pétanque, cette inflexion sera plus grande. Imaginez maintenant les planètes et autres objets célestes comme des billes roulant sur le tissu souple d’espace-temps. Prenez une lourde bille qui figurera une étoile, elle va provoquer une déformation du tissu de l’espace-temps, créer une sorte de dépression sur le tissu. Tout autre objet, plus petit, comme une planète, roulant sur le tissu et passant à proximité de notre grosse bille va avoir une trajectoire modifiée par la présence de notre grosse bille-étoile. Cette modification de trajectoire est l’attraction gravitationnelle de notre étoile sur notre planète !
deformation espace temps. credit: wikipedia creative commons
Déformation de l'espace-temps provoqué par un objet massif : la Terre.
 
Selon les lois de la relativité générale, Les trous noirs sont supposés avoir une très grande masse, confinés dans un espace très réduit. Prenez par exemple, notre Soleil, qui pèse un peu moins de 2 milliards de milliards de tonnes (1,9891×1030kg), et bien compressez-le en une sphère de moins de 6km de diamètre, et vous créez un trou noir !
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Le saviez-vous ? Le Soleil à un diamètre de plus d’un million de km…
Cette importante masse accumulée dans un très faible volume va tordre l’espace-temps de façon très importante, formant une sorte d’entonnoir profond.
Vous l’avez certainement vue dans un de ces films, où le vaisseau spatial passant à proximité d’un trou noir, est inexorablement attiré par celui-ci… En effet, de par sa grande masse, un trou noir exerce une très grande attraction sur les objets qui passent à proximité ! On pense que tout ce qui s’approche trop près d’un trou noir (qui franchirait le point de non-retour appelé «horizon du trou noir») est obligatoirement attiré par celui-ci, et ne pourra jamais s’en extraire. Pour vous le représenter, imaginez que l’objet en question glisse dans l’entonnoir crée par le trou noir sur le tissus de l’espace-temps. Dans notre exemple du soleil, transformé en trou noir, tout objet qui s’approcherait à moins de 3km du soleil serait perdu à tout jamais !
 
Un trou noir, est donc une région de l’espace de laquelle rien ne peut s’échapper. Mais qu’en est-il de la lumière ? Selon la théorie de la relativité générale, la lumière suit des lignes d’espace-temps, appelées géodésiques. En passant à proximité des objets massifs, la force gravitationnelle va déformer les géodésiques, et la trajectoire de la lumière va être modifiée (ce qui a effectivement été observé par les astrophysiciens). De ce fait, en passant à proximité du trou noir, et en dépassant son horizon,  la lumière va glisser vers le centre du trou noir, être « avalée » par cet objet, et n’en ressortira jamais.
trou noir. Credit: axiomcafe
La lumière (flèches oranges), en passant à proximité d'un trou noir peut être déviée, ou "avalée" si elle dépasse l'horizon du trou noir (cercle rouge).
 
En résumé...
 
Les trous noirs sont des objets exerçant une très forte attraction gravitationnelle sur les objets à proximité. Tout ce qui s’approche trop près de celui-ci est inexorablement absorbé, même la lumière ! De ce fait, les trous noirs sont noirs, puisque même la lumière ne peut échapper aux griffes du trou noir !
 
Logo attention
En réalité, rien ne s’échappe des trous noirs à l’exception du rayonnement d’Hawking ! Cet infime rayonnement a été prédit comme une « évaporation du trou noir » par le célèbre physicien Stephen Hawking. Cette prédiction repose sur une analyse de la physique quantique, qui permet de prédire l’émission d’un rayonnement de matière noire hors du trou noir ! Affaire à suivre...

Pour aller plus loin...

Vidéo d'une conférence donnée par l'IAP le 5 juin 2007 par Jean-Pierre LUMINET, astrophysicien à l'Observatoire de Paris-Meudon.
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