Émission, exposé et discussion sur les trous noirs.
Dossier
à propos des objets les plus énigmatiques de l'Univers: Des millions de Trous
Noirs dans la Voie Lactée (source: Revue Ciel&Espace
janvier 1993). Cliquez sur l'image ou le lien pour visionner le document
RealVideo.
Requiert RealPlayerG2 pour le visionnement. Cliquez ici pour le télécharger.
Voiçi
pour vous une émission
spéciale en RealVideo sur les trous noirs. Aussi, un exposé et une discussion qui a eu lieu lors d'un
échange d'idées et opinions entre utilisateurs sur une liste de discussion par courrier
électronique.
Les explications qui suivent ici proviennent d'un physicien du European Laboratory for Particle Physics (CERN) et ont
été transmises à l'astronome amateur Marc Brodard.
Bon, voiçi quelques éléments de réponse qui n'ont pas la prétention d'être exaustifs (c'est un peu long, mais je pense que c'est assez simple):
Trous noirs : c'est une région de l'espace-temps ou la courbure est telle que même la lumière ne peut s'en échapper. On distingue deux types de trous noirs, les trous noirs primordiaux (issus des premiers temps de l'Univers), et les trous noirs stellaires (formés par l'éffondrement d'une étoile).
Plus explicitement :
Fin de la vie d'une étoile : Quand une étoile géante (environ au moins 8 fois la masse du soleil) a brulé toute son hydrogène, elle ne peut plus produire le rayonnement (et la pression) nécessaires a contrebalancer sa propre force de gravitation. Elle va donc se contracter, provoquant son réchauffement interne. Quand sa température aura suffisamment augmenté, la fusion de l'helium va commencer, rétablissant ainsi l'équilibre entre pression interne et gravitation, et l'étoile connaîtra une nouvelle phase de stabilité, bien plus courte que la première puisque l'hélium se consume beaucoup plus rapidement. Puis le même scénario va se répéter, amenant tour à tour la fusion des éléments plus lourds. Lorsque le centre de l'étoile devient un noyau de fer (élément qui ne va pas fusionner) d'une masse d'environ 1,4 fois la masse du soleil (limite de Chandrasekhar) avec une température de plusieurs milliards de degrés et une densité de plusieurs tonnes par centimètre cube, la pression est telle que les électrons des atomes vont entrer en contact avec les noyaux et interagir avec les protons des noyaux pour former des neutrons avec émission de neutrinos (voir le dernier bulletin des Amis de l'Observatoire d'Ependes). Cela provoque l'effondrement du coeur de l'étoile (implosion) et l'éjection des couches extérieures (supernova de type II). La quantité d'énergie ainsi libérée en quelques heures sous forme de neutrinos, d'énergie cinétique du gaz de l'enveloppe et de lumière vaut un million de milliards de fois l'énergie émise par notre soleil pendant le même temps. Rien d'étonnant qu'une telle explosion soit parfois visible depuis la terre même en plein jour ! A la place de la défunte étoile il reste maintenant une étoile a neutron (boule de matière constituée uniquement de neutrons) tournant sur elle-même a tres grande vitesse (plusieurs centaines de tours par seconde) et possedant un puissant champ magnétique. Chaque fois que l'axe magnétique pointe vers nous, nous recevons un pulse, et ceci a chaque rotation de l'étoile. C'est pourquoi on appelle ceci un pulsar. Si l'étoile a neutron ne s'effondre pas sur elle-même malgré son faible diamètre (typiquement 10-20 kilomètres) et sa très haute densité (environ un milliard de tonnes par centimètre cube), c'est uniquement grâce au "principe d'exclusion de Pauli", qui empêche deux particules identiques (neutrons, protons ou électrons) d'occuper exactement la même position. Mais si la masse depasse environ 3 fois la masse du soleil, l'étoile a neutrons va se contracter davantage et former un trou noir (voir ci-dessous).
Courbure de l'espace-temps : Depuis Isaac Newton (XVIIe siecle) jusqu'au début de ce siècle, l'espace etait consideré comme "plat", et les objets qui s'y trouvent s'attiraient mutuellement par la force de gravitation. Cette force est proportionnelle au produit des masses des objets qui s'attirent, et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les separe :
(Masse de l'objet 1) x (Masse de l'objet 2)
Force = -------------------------------------------
Distance x Distance
Cela avait entre autres la conséquence que la lumière n'était pas influencée par la force de gravitation puisque sa masse est zéro. Or depuis 1915, date de la parution de la Théorie de la Relativité Générale par Albert Einstein, l'effet de la présence d'objets massifs dans l'Univers est interprété tres différemment. Ainsi une masse va "courber" l'espace autour d'elle, et les autres objets vont subir l'effet de cette courbure, modifiant ainsi leur trajectoire. Comparaison intuitive : si l'on pose une boule de tennis sur un drap légèrement tendu a plat, des rides vont se former sur le drap autour de la boule, et ces rides vont devier la trajectoire d'autres boules que l'on ferait rouler sur le drap. Cette nouvelle vision de la gravitation implique que même la lumière devrait subir l'effet de la gravitation. Cela fut vérifié expérimentalement pour la première fois lors de l'éclipse de soleil du 29 mars 1919 par Eddington et Dyson : ils mesurèrent que la position apparente des étoiles proches du disque solaire occulté par rapport aux autres étoiles etait légèrement différente des mesures effectuées lorsque le soleil se trouvait ailleurs sur sa trajectoire (quelques mois plus tôt). Ainsi la lumière des étoiles lointaines est deviée quand elle passe très près d'une masse importante comme le soleil. Et cette déviation est d'autant plus importante que la masse considérée est élevée.
Trous noir : Avec les explications ci-dessus il est maintenant possible de détailler ce qu'est un trou noir. Il s'agit donc d'une masse très grande concentrée en un volume insignifiant. Le champ gravitationnel ainsi engendré est tel que la courbure de l'espace-temps autour de cette masse aura une courbure suffisamment forte pour obliger la lumière a retomber au centre de l'objet, l'empêchant ainsi de se propager librement dans l'espace. Ce phénomène a lieu jusqu'à une distance typique de quelques kilomètres du centre de l'objet, et au-delà de cette limite (appelée horizon du trou noir), la courbure n'est plus assez forte pour empêcher la lumière de s'échapper. Le nom "trou noir" vient précisement du fait que rien, pas même la lumière, ne peut s'en échapper et donc, comme il n'émet rien du tout, on ne peut pas le voir de l'extérieur (il est "noir"). Le seul effet observable d'un tel objet est donc la perturbation que son champ gravitationnel occasionne sur les autres objets situés dans les environs.
-----------------------------------------------------------------
Antimatière : Toute particule possède une antiparticule. Ainsi l'électron a une antiparticule appelée positron, le proton a une antiparticule appelée antiproton, le neutron a une antiparticule appelée antineutron, le photon (particule de lumière) est sa propre antiparticule, le neutrino a une antiparticule appelée antineutrino, etc. Une particule et son antiparticule se distinguent par le fait que toutes les grandeurs qui les caractérisent (charge électrique, nombre leptonique, nombre baryonique, etc.) ont signe opposé, sauf leur masse qui est rigoureusement identique. Exemple : l'électron a une chage électrique -1 et le positron a une charge électrique +1, leurs masses etant les mêmes. Le comportement de la matière et de l'antimatière est rigoureusement identique, de sorte que si toutes les particules de matière du monde qui nous entoure etaient remplacées par leurs antiparticules respectives (y-compris les particules dont nous sommes nous-mêmes constitués), nous ne remarquerions aucune différence : ce n'est que par comparaison avec la matière que l'antimatière se distingue.
Intéractions entre particules : Deux
particules peuvent interagir et former de nouvelles particules pour autant que certaines
règles de conservation soient respectées, comme par exemple la charge électrique totale
ou l'énergie totale. Ainsi deux protons (ayant chacun une charge électrique +1) ne
peuvent pas se transformer en deux neutrons (ayant une charge électrique 0) car sinon la
charge électrique totale ne serait pas conservée (elle serait égale a +2 avant et 0
après la réaction). De même un neutron (charge 0 et nombre leptonique 0) ne pourrait
pas se désintégrer en un proton (charge +1 et nombre leptonique 0) et un électron
(charge -1 et nombre leptonique +1), car si la charge est conservée, la nombre leptonique
ne l'est pas (0 avant et +1 apres). Par contre un
neutron (charge 0 et nombre leptonique 0) pourrait se désintégrer en un proton (charge
+1 et nombre leptonique 0), un électron (charge -1 et nombre leptonique +1) et un
antineutrino (charge 0 et nombre leptonique -1). De cela on déduit une caractéristique
importante de l'antimatière : comme tous les nombres caractéristiques d'une
antiparticule sont opposés a ceux de la particule correspondante, leur somme est toujours
0. Ainsi quand une particule et une antiparticule se rencontrent, la transformation
(Particule de type 1) + (Antiparcule de type 1) ---> (Particule de type 2) +
(Antiparcule de type 2) est toujours possible puisque tous les nombres caractéristiques
sont 0 avant et après la réaction. Typiquement on aura (Particule de type 1) +
(Antiparcule de type 1) ---> Photon + Photon : elles vont s'annihiler mutuellement pour
créer de la lumière. La réaction
inverse est aussi possible : une paire Particule + Antiparticule peut être créée a
partir de l'énergie de deux photons, pour autant que la conservation de l'énergie soit
respectée (énergie E des photons = masse m de la particule et de l'antiparticule
multipliée par la vitesse de la lumire au carré, c'est-a-dire : 2 E = m c d'après la
fameuse formule d'Einstein). Cosmologie primordiale : Juste après le Big-Bang, l'Univers
ne contient pas encore de matière, mais seulement de l'énergie (des photons). Or ces
photons vont pouvoir créer des paires de particules- antiparticules selon le shéma
expliqué ci-dessus. C'est par ce processus que toute la matière présente dans l'Univers
s'est formée. Cela implique que la quantité de matière doit etre la même que la
quantité d'antimatière dans l'Univers, puisque la formation d'une particule ne peut se
faire que simultanément avec la formation d'une antiparticule. Bien entendu, les
particules et antiparticules ainsi formées peuvent ensuite s'annihiler à nouveau
mutuellement en reproduisant 2 photons. Cela pose une question dont la réponse n'est pas
très claire à ce jour : si le nombre de particules et d'antiparticules est identique,
elles devraient finir par s'annihiler mutuellement et l'Univers ne devrait contenir que de
l'énergie (pas de matière), car la réaction inverse (Photon + Photon ---> Particule
+ Antiparticule) est devenue très rare depuis que l'Univers s'est étendu et refroidi. Il
y a deux explications plausibles a cela :
- La symétrie de comportement entre matière et antimatière n'est pas parfaite, et
l'antimatière serait moins stable que la matière, de sorte qu'une partie de
l'antimatière aurait disparu de l'Univers. C'est pour cela que l'Univers actuel
contiendrait de la matière. Il n'y a cependant pas de preuve formelle d'un tel
phénomène à ce jour. - Du à des fluctuations dans l'Univers primordial, la
répartition de matière et d'antimatière dans l'Univers actuel ne serait plus uniforme.
Ainsi certaines régions de l'Univers pourraient etre constituées de matière (telle la
région de notre galaxie), alors que d'autres seraient en antimatière. Comme seule la
lumière se propage en grande quantité d'un endroit de l'Univers à l'autre et que la
lumière (le photon) est identique a son antiparticule, on ne peut pas le verifier
aisément.
Les recherches se poursuivent dans les instituts de recherche fondamentale pour tenter de vérifier ces hypothèses, notamment au CERN près de Genève, ou dans l'espace avec le détecteur AMS qui sera lancé a bord de la navette spatiale américaine cette année.
Maintenant, passons à la discussion!
Je tiens à remercier les personnes qui m'ont accordé leur autorisation pour
la divulgation des articles.
Pour envoi d'articles et énoncés à ajouter, écrivez
ici.
Retour à: