Qu'est-ce qu'un trou noir?

Question: Qu'est-ce qu'un trou noir?

Qu'est-ce qu'un trou noir? Quand se forment les trous noirs? Les scientifiques peuvent-ils voir un trou noir? Quel est "l'horizon des événements" d'un trou noir?

Répondre: Un trou noir est une entité théorique prédite par les équations de la relativité générale. Un trou noir se forme lorsqu'une étoile de masse suffisante subit un effondrement gravitationnel, la majeure partie ou la totalité de sa masse étant comprimée dans une zone suffisamment petite de l'espace, provoquant une courbure spatio-temporelle infinie à ce point (une "singularité"). Une courbure spatio-temporelle aussi massive ne permet à rien, pas même à la lumière, de s'échapper de «l'horizon des événements» ou de la frontière.

Les trous noirs n'ont jamais été directement observés, bien que les prédictions de leurs effets correspondent aux observations. Il existe une poignée de théories alternatives, telles que les objets magnétosphériques à effondrement éternel (MECO), pour expliquer ces observations, dont la plupart évitent la singularité espace-temps au centre du trou noir, mais la grande majorité des physiciens pensent que l'explication du trou noir est la représentation physique la plus probable de ce qui se passe.

Trous noirs avant la relativité

Dans les années 1700, certains ont proposé qu'un objet supermassif puisse y éclairer. L'optique newtonienne était une théorie corpusculaire de la lumière, traitant la lumière comme des particules.

John Michell a publié un article en 1784 prédisant qu'un objet avec un rayon 500 fois celui du soleil (mais la même densité) aurait une vitesse d'échappement de la vitesse de la lumière à sa surface, et serait donc invisible. Cependant, l'intérêt pour la théorie est mort dans les années 1900, alors que la théorie des ondes de la lumière prenait de l'importance.

Lorsqu'elles sont rarement référencées dans la physique moderne, ces entités théoriques sont appelées "étoiles sombres" pour les distinguer des vrais trous noirs.

Trous noirs de la relativité

Quelques mois après la publication d'Einstein de la relativité générale en 1916, le physicien Karl Schwartzchild a produit une solution à l'équation d'Einstein pour une masse sphérique (appelée Métrique de Schwartzchild)… Avec des résultats inattendus.

Le terme exprimant le rayon avait une caractéristique inquiétante. Il semblait que pour un certain rayon, le dénominateur du terme deviendrait nul, ce qui ferait "exploser" mathématiquement le terme. Ce rayon, appelé Rayon de Schwartzchild, r_s, est défini comme:

r_s = 2 GM/ c ²

g est la constante gravitationnelle, M est la masse, et c est la vitesse de la lumière.

Puisque le travail de Schwartzchild s'est avéré crucial pour comprendre les trous noirs, c'est une étrange coïncidence que le nom Schwartzchild se traduit par «bouclier noir».

Propriétés du trou noir

Un objet dont toute la masse M repose dans r_s est considéré comme un trou noir. Horizon de l'événement est le nom donné à r_s, car à partir de ce rayon, la vitesse d'échappement de la gravité du trou noir est la vitesse de la lumière. Les trous noirs attirent la masse par les forces gravitationnelles, mais aucune de ces masses ne peut jamais s'échapper.

Un trou noir est souvent expliqué en termes d'objet ou de masse «tombant dedans».

Y montres X tombent dans un trou noir

• Y observe des horloges idéalisées sur X ralentir, se figeant dans le temps quand X frappe r_s
• Y observe la lumière de X redshift, atteignant l'infini à r_s (ainsi X devient invisible - et pourtant nous pouvons encore voir leurs horloges. La physique théorique n'est-elle pas grande?)
• X perçoit un changement notable, en théorie, bien qu'une fois qu'il passe r_s il lui est impossible de jamais s'échapper de la gravité du trou noir. (Même la lumière ne peut pas s'échapper de l'horizon des événements.)