Comment se forment les trous noirs ?

06 juin 1979
04m 15s
Réf. 01449

Notice

Résumé :

En 1979, une classe de collège est invitée à interroger deux astrophysiciens, Jean Heidmann et Hubert Reeves, sur les trous noirs : ce phénomène, étudié depuis peu et décrit dans la théorie de la relativité, n'a encore jamais été directement observé.

Type de média :
Date de diffusion :
06 juin 1979
Source :

Contexte historique

Les trous noirs n'ont jamais été observés, en tant que tels : ils sont dès l'origine un problème intellectuel. L'idée d'un astre " invisible " est apparue à la fin du XVIIIe siècle, comme une énigme théorique. Dans le cadre de la théorie de l'attraction universelle élaborée par Isaac Newton, l'astronome amateur John Mitchell propose en 1783 l'hypothèse que la lumière puisse également subir les lois de la gravitation : dès lors, il imagine qu'il puisse exister un corps à la masse si importante qu'il puisse retenir la lumière. Ce corps, qui se comporterait comme un autre corps, serait tout de même détectable par la rotation des corps célestes autour de lui. Mitchell donne un " ordre de grandeur " d'un tel astre : ainsi un astre noir ayant la masse d'un Soleil aurait un rayon de 3 km. Un peu plus tard, en 1796, dans son Exposition du système du monde, le mathématicien et astronome Pierre de Laplace reprend cette idée, mais, très contesté, il en abandonne la présentation dans les éditions successives de son ouvrage.

Le terme de " trou noir " est forgé en 1967 par John Wheeler. A cette date, les " trous noirs " sont devenus d'importants objets d'études pour les astrophysiciens grâce notamment aux progrès théoriques importants qui ont suivi la publication de la relativité générale. Depuis 1915, mathématiciens et physiciens explorent les propriétés de l'espace-temps, dont la géométrie non euclidienne est complexe et qui permet d'étudier des objets dans leur aspect mathématique. Par exemple, le physicien indien Subrahmanyan Chandrasekhar montre qu'un corps non-radiatif, au-delà d'une certaine masse (appelée depuis limite de Chandrasekhar), s'effondre sur lui-même, car aucune force ne pourrait contrarier l'effet de la gravitation. Ces études, riches et très variées, rencontrent de vives résistances de la part des physiciens, en particulier d'Albert Einstein, qui jugent que ces objets mathématiques n'ont aucun sens physique.

Parallèlement à ces études théoriques, les astronomes avancent des théories sur la formation des étoiles. L'évolution des instruments d'observation, tout particulièrement après la Seconde Guerre mondiale, donne un nouveau souffle à la théorie des trous noirs. Grâce à l'interférométrie, étude des spectres d'interférence optique, les astronomes obtiennent des mesures de plus en plus précises des objets observés. Après la Seconde Guerre mondiale, l'évolution des cette technologie dans le domaine des ondes radio permettent d'observer de nouveaux objets dans l'espace. Dès lors, les études deviennent nombreuses pour comprendre, de manière théorique, ce qu'est un trou noir et comment il se comporte, ou encore comment se comporte la matière à son alentour. C'est d'autant plus aisé que, selon la théorie de la relativité générale, les trous noirs sont des objets définis uniquement par leur masse, leur moment angulaire (ou vitesse de rotation) et, éventuellement, leur charge électrique. Ces études permettent d'envisager des modèles, qui sont comparés aux observations : elles ont données lieu à la fabrication d' " images " de trous noirs, tels qu'on pourrait les imaginer d'après les modèles physiques. Depuis le milieu des années 1990, les observations du satellite Hubble, un télescope à rayons X, ont permis d'envisager que certains corps célestes, dont l'énergie est d'apparence colossale, seraient des bons candidats pour la découverte de trous noirs. Leur " luminosité " s'expliquerait, en effet, par l'attraction d'un trou noir : ce serait celle des corps lumineux attirés par celui-ci.

Bibliographie :

Jean-Pierre Luminet, " Les trous noirs et la forme de l'espace ", Qu'est-ce que l'Univers ?, Université de tous les savoirs, sd Y. Michaud, vol.4 , pp. 258- 269.

Jean Eisenstaedt, Avant Einstein, relativité, lumière, gravitation, Paris, Le Seuil, 2005.

Jean-Pierre Luminet, Les trous noirs, Paris, Le Seuil, " Points Sciences ", 1992.

Kip Thorne, Trous noirs et distorsions du temps, Paris, Flammarion, " Champs Sciences ", 2001.

Christelle Rabier

Éclairage média

" A la poursuite des étoiles " est une émission annuelle de Robert Clarke qui débute en 1962 et s'achève en 1981. Au cours des années 1970, elle choisit le débat de plateau où sont conviés scientifiques et public : les jeux télévisés et les émissions littéraires proposent un modèle pour ce renouvellement de la forme du magazine de science. Le jour de l'émission, une classe de collège est invitée ainsi que Jean Heidman, astronome à l'observatoire de Meudon, à laquelle se mêlent des journalistes. Le format reproduit donc l'interrogation naïve des enfants à des adultes ; or, il apparaît que les questions sont convenues, préparées, puisque les réponses peuvent donner lieu à des projections de montages de clichés de l'univers. Les réponses, quant à elles, sont simplifiées pour un jeune public.

Sur le sujet spécifique du trou noir, l'usage des documents projetés n'est pas sans poser problème : en effet, en l'absence d'indications visuelles (comme le rendu particulier de la gravure pour une illustration), certains montages peuvent laisser croire qu'il s'agit de clichés réels, alors qu'ils ne sont que la mise en forme d'un modèle théorique. L'univers et l'espace, fascinants en raison de l'esthétique des images astronomiques et des questions qu'ils permettent d'aborder, restent aujourd'hui des sujets privilégiés des émissions sur la science. L'astrophysicien Hubert Reeves, en particulier avec l'animation " La nuit des étoiles ", reste aujourd'hui un interlocuteur privilégié des médias audiovisuels sur la compréhension de l'Univers.

Christelle Rabier

Transcription

Inconnu
Comment se forme un trou noir ?
Jean Heidmann
En fait, les trous noirs résultent de la théorie d'Einstein. Ils sont contenus dans sa théorie et c'est depuis une bonne dizaine d'années que les théoriciens se sont vraiment intéressés à cet aspect particulier de la théorie de la relativité d'Einstein pour étudier les propriétés des trous noirs. Et c'est grâce à ces études que on peut justement à partir d'observations qui semblent un peu bizarres, essayer de voir si les trous noirs sont, oui ou non, des bons candidats pour expliquer les observations qui sont faites. Alors un trou noir résulte de la contraction d'une masse grosse comme deux fois le soleil, par exemple, qui a épuisé son fuel nucléaire. A ce moment là, les forces de gravitation reprennent le dessus et toute cette masse s'effondre sur elle-même, se concentre de plus en plus et son diamètre diminuant de plus en plus, la densité à l'intérieur atteint des valeurs colossales qui ont pour effet de courber l'espace autour d'elle et en définitive d'empêcher les photons qu'émet cet astre d'en sortir. Et le résultat final, c'est ce qu'on appelle un trou noir, c'est-à-dire un trou dans l'espace, d'où rien se sort. En principe, un trou noir est inobservable mais si un trou noir peut capturer de la matière autour de lui, à ce moment là, cette matière se dispose en un disque plat, très lumineux, que l'on peut essayer d'observer. Alors comment un trou noir peut capter de la matière ? Et bien si, dans un système de deux étoiles qui tournent l'une autour de l'autre, l'une se transforme en trou noir, celle de droite ici, elle est capable d'absorber l'atmosphère extérieure de l'autre étoile et cette matière capturée par le trou noir, va se mettre à tourner autour de lui et en s'échauffant sera capable de produire des rayons X. On voit ici le disque d'accrétion formé autour du trou noir à droite, avec de la matière en provenance arrachée de l'étoile de gauche. Alors ce disque en fait provient de matières qui s'engouffrent à l'intérieur du trou noir, à la façon d'un maelström mais à la surface d'un océan. On voit ici un bateau qui a été capturé par le maelström et il est pris dans une spirale de plus en plus serrée, de plus en plus rapide qui va le précipiter dans ce trou. En fait, personne n'a jamais observé la façon dont la matière s'engouffre dans un trou noir mais les calculs théoriques permettent d'en faire certaines représentations telle cette animation ou celle-ci on l'on voit des petits grains de matières s'accélérer de plus en plus rapidement pour en définitive disparaître dans le trou central, qui peut donner une image de ce qu'est un trou noir. On peut se poser la question : mais où va toute cette matière engouffrée par un trou noir ? En fait, il y a une théorie mais qui est juste une pure hypothèse pour l'instant selon laquelle elle pourrait déboucher par une espèce d'entonnoir dans un autre espace parallèle au nôtre.
Inconnu
Comment les savants, les astronomes ont découvert les trous noirs puisque l'espace a priori ça paraît noir mais en fait, c'est plein de couleurs, on le voit bien par les galaxies et les images, alors comment on a découvert ces trous noirs ?
Hubert Reeves
Imaginons un mauvais génie qui pendant la nuit prochaine s'approche du soleil avec de grandes mains et écrase notre soleil, écrase notre soleil jusqu'au point où il n'a plus que une dizaine de kilomètres de rayons. Et bien, le lendemain matin, il ferait noir mais le mouvement de la Terre ne serait absolument pas perturbée. Et des astronomes qui naîtraient sur la Terre après cet événement verraient que la terre circule dans l'espace et dirait, elle semble circuler autour de rien puisque je ne vois rien. Il serait donc autoriser à penser que nous tournons autour d'un trou noir. Tu vois, le trou noir ne peut pas émettre de lumière mais il continue à avoir son champ de gravité comme s'il rien se s'était passé. Et c'est par des méthodes comme celles-là qu'on arrive, qu'on peut espérer arriver à les détecter, c'est par les perturbations qu'ils exercent sur leur entourage. Et lui n'a rien avoir avec le fait que les objets sont des trous noirs ou non, c'est tout à fait indépendant.
Inconnu
On sait que l'univers...

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