Les troublantes ténèbres des trous noirs (1/2)

Vivre au Lycée vous propose un sujet fascinant mais pas forcément évident : les trous noirs. Nous allons diviser cet article en deux parties, dont voici la première. Elle vous familiarisera avec la notion de trou noir. Dans la deuxième partie, nous verrons entre autres choses d’où ils viennent et quel est leur destin…

Pour faire simple, un trou noir, c’est un point de l’espace-temps où la gravité est tellement importante que même la lumière ne peut s’en échapper. C’est d’ailleurs pour ça qu’on les appelle des trous noirs, puisqu’on ne les voit pas. Mais comment se fait-il que la lumière ne puisse s’en échapper ?

Pour commencer, nous allons nous familiariser avec la notion de vitesse de libération. Prenons l’exemple de la Terre. Si vous lancez une balle en l’air, elle va monter jusqu’à arrêter d’accélérer et finir par retomber. C’est l’effet de la gravité. Vous pouvez tenter l’expérience autant de fois que vous voulez, avec la seule force de votre bras, elle finira toujours pas retomber.

Mais il est possible, en propulsant un objet vite, très vite, de le faire monter jusqu’à ce qu’il se libère de la force d’attraction de la Terre. Cette vitesse de libération pour la Terre est de 11 km/s. Celle-ci n’est pas partout la même. Pour exemple, la vitesse de libération pour s’extraire de l’attraction de la Lune est de 2,4 km/s. Cette vitesse de libération dépend de la masse et du rayon de l’objet céleste.

Maintenant que vous maîtrisez cette notion, revenons-en à notre trou noir. Celui-ci a une force gravitationnelle telle que sa vitesse de libération est supérieure à celle de la lumière (qui est d’environ 300 000 km/s), et c’est pour ça que la lumière ne peut s’en échapper. Aussi, Einstein nous a appris avec sa relativité restreinte (1905) que rien ne peut aller plus vite que la lumière. Donc, si la lumière ne peut pas s’échapper du trou noir, rien d’autre ne le peut.

Vers l’horizon et au-delà

Cette vitesse de libération n’est pas valable uniquement au niveau de ce point de l’espace-temps que l’on appelle le trou noir, mais aussi dans sa périphérie, jusqu’à ce qu’on appelle l’horizon des événements.

Cet horizon, c’est la limite à partir de laquelle on ne peut plus s’extraire de l’attraction du trou noir. Cette limite n’est pas physique. Si vous approchez un trou noir, vous ne verrez pas une limite stricte, un halo ou un cercle autour du trou noir qui pourrait vous indiquer à partir d’où il serait dangereux d’approcher plus. Et il serait effectivement très dangereux de dépasser cet horizon des événements. En effet, la force d’attraction du trou noir est telle que si vous tombez les pieds en avant vers celui-ci, vos pieds seront beaucoup plus attirés que votre tête, pire encore, votre nez sera plus attiré que vos yeux, qui seront plus attirés que votre front… et vous subirez ce qu’on appelle joyeusement une spaghettification (oui oui, c’est un vrai terme). Vous serez écartelé ! Vous l’aurez donc compris, un trou noir n’est pas vraiment une destination de rêve.

Le temps relatif

Nous allons maintenant introduire un phénomène qui peut être difficile à appréhender : le fait que le temps ne s’écoule pas de la même façon à proximité d’un trou noir. Pour comprendre cela, il nous faut déjà revenir sur le fait que le temps ne s’écoule pas partout de la même manière. Nous allons donc, si vous le voulez bien, faire un voyage au sein de votre imagination.

Imaginez un morceau de l’univers complètement vide. Pas de planète, pas d’étoiles à l’horizon, rien. Juste du vide. Maintenant imaginez que cet espace vide est quadrillé en trois dimensions. Un peu comme un rubik’s cube si vous pouviez le voir de l’intérieur. Prenez une planète, posez-la en plein milieu de votre quadrillage, et celui-ci va se déformer autour de cette planète, un peu comme un drap tendu se courberait si vous y posiez une boule de pétanque. Ce phénomène, c’est ce qu’on appelle la courbure de l’espace-temps. Mais que vient faire le temps là-dedans ?

Et bien, ce quadrillage que vous avez imaginé est en fait en quatre dimensions : les trois que vous connaissez de l’espace, auxquelles on ajoute le temps. Donc, quand vous posez votre planète dans votre quadrillage et que celui-ci se déforme, ce n’est pas seulement l’espace qui se déforme, mais aussi le temps. Plus un objet est massif, plus cette courbure de l’espace-temps est importante.

La gravité, un effet plutôt qu’une force

Précision importante concernant cette fameuse courbure : vous lirez souvent le terme “force gravitationnelle” pour l’expliquer ou l’illustrer. Et effectivement, le fait de traiter la gravitation comme une force fonctionne très bien dans une grande partie des cas pour expliquer et décrire les observations empiriques : mais gardez en tête que ce qu’on appelle la force gravitationnelle n’est en fait pas une force, mais justement l’effet de la courbure de l’espace-temps. Einstein nous a appris en 1915 avec sa théorie de la relativité générale (qui est une théorie générale de la gravitation) que la gravitation n’est pas une force en soi (contrairement à ce qu’on enseigne encore dans les écoles !) mais bien la manifestation de la courbure de l’espace-temps.

C’est difficile à appréhender au début, mais vous verrez que vous finirez par vous faire à cette idée.

Pour vous familiariser avec la notion d’espace courbe, nous vous renvoyons à notre article consacré à la relativité générale et à l’espace courbe.

Revenons maintenant à notre trou noir. Celui-ci étant un objet extrêmement massif, la courbure de l’espace-temps y est extrêmement importante. Retournons donc faire un tour au sein de votre imagination pour essayer de comprendre ce que cela implique.

Jusqu’à ce que l’horizon nous sépare

Imaginez que vous êtes dans un vaisseau et que vous voyez un trou noir. Vous êtes avec votre amie qui, piquée par la curiosité, décide d’aller y voir d’un peu plus près. Elle s’installe à bord d’un mini vaisseau et s’approche un peu plus du trou noir. Elle ne s’en rend pas compte, mais très vite elle dépasse l’horizon des événements. Vous la voyez alors s’éloigner de plus en plus lentement. C’est une bonne chose que nous soyons au sein de votre imagination, puisque celle-ci nous permet de voir la montre de votre amie, même si elle se trouve très loin. Et, ce que vous voyez, c’est que sur sa montre les secondes s’écoulent de plus en plus lentement, jusqu’à ce qu’une seconde pour elle corresponde chez vous à une minute, une journée, un mois… jusqu’à ce que vous voyiez votre amie figée à l’infini.

Que se passe-t-il de son point de vue ? Et bien, sa montre fonctionne parfaitement. Elle voit les secondes défiler normalement. Mais quand elle voit la votre, elle y voit les secondes défiler de plus en plus vite, si bien qu’un tour de cadran sera effectué en une milliseconde, une microseconde… jusqu’à ce que très vite vous ayiez vieilli et ne soyez plus de ce monde.

Plus fascinant encore, elle verra la mort et la naissance des étoiles en une fraction de seconde jusqu’à, arrivée à un certain stade, voir défiler sous ses yeux tout le futur de l’univers. C’est le phénomène de dilatation du temps.

Dans la deuxième partie de cet article, nous verrons qu’il existe différents types de trous noirs et nous essaierons de comprendre comment ils naissent et comment ils meurent… Du moins nous ferons un tour du côté des explications qu’en donne actuellement la physique !

Fanny Aici