Pourquoi les trous noirs sont-ils noirs?

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 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!

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.

 

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 !

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.

 

 

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