[ EN COURS ] - TROU NOIR - ASTRONOMIE - TROUS NOIRS

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LES TROUS NOIRS

En astrophysique, un trou noir1 est un objet céleste si compact que l'intensité de son champ gravitationnel empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper2. De tels objets ne peuvent ni émettre, ni réfléchir la lumière et sont donc noirs, ce qui en astronomie revient à dire qu'ils sont invisibles. Toutefois, plusieurs techniques d’observation indirecte dans différentes longueurs d'ondes ont été mises au point et permettent d’étudier les phénomènes qu’ils induisent. En particulier, la matière happée par un trou noir est chauffée à des températures considérables avant d’être « engloutie » et émet une quantité importante de rayons X. Envisagée dès le XVIIIe siècle, dans le cadre de la mécanique classique, leur existence — prédite par la relativité générale — est une certitude pour la quasi-totalité des astrophysiciens et des physiciens théoriciens. La gravitation étant le seul effet pouvant sortir d'un trou noir, une observation quasi-directe de trous noirs a pu être détaillée en février 2016 par le biais de la première observation directe des ondes gravitationnelles.

Dans le cadre de la relativité générale, un trou noir est défini comme une singularité gravitationnelle occultée par un horizon absolu appelé horizon des événements. Selon la physique quantique, un trou noir est susceptible de s'évaporer par l'émission d'un rayonnement de corps noir appelé rayonnement de Hawking.

Un trou noir ne doit pas être confondu avec un trou blanc ni avec un trou de ver.

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Propriétés

Un trou noir est un objet astrophysique comme un autre. Il se caractérise par le fait qu’il est très difficile à observer directement (voir ci-dessous), et que sa région centrale ne peut être décrite de façon satisfaisante par les théories physiques en leur état du début du XXIe siècle, car elle abrite une singularité gravitationnelle. Cette dernière ne peut être décrite que dans le cadre d’une théorie de la gravitation quantique, manquante à ce jourNote 2. En revanche, on sait parfaitement décrire les conditions physiques qui règnent dans son voisinage immédiat, de même que son influence sur son environnement, ce qui permet de les détecter par diverses méthodes indirectes.

Par ailleurs, les trous noirs sont étonnants en ce qu’ils sont décrits par un très petit nombre de paramètres. En effet, leur description, dans l’univers dans lequel nous vivons, ne dépend que de trois paramètres : la masse, la charge électrique et le moment cinétique. Tous les autres paramètres du trou noir (par exemple ses effets sur les corps environnants et leur étendue) sont fixés par ceux-ci. Par comparaison, la description d’une planète fait intervenir des centaines de paramètres (composition chimique, différenciation de ses éléments, convection, atmosphère, etc.). La raison pour laquelle un trou noir n’est décrit que par ces trois paramètres est connue depuis 1967 : c’est le théorème de calvitie démontré par Werner Israel. Celui-ci explique que les seules interactions fondamentales à longue portée étant la gravitation et l’électromagnétisme, les seules propriétés mesurables des trous noirs sont données par les paramètres décrivant ces interactions, à savoir la masse, le moment cinétique et la charge électrique.

Pour un trou noir, la masse et la charge électrique sont des propriétés habituelles que décrit la physique classique (c’est-à-dire non-relativiste) : le trou noir possède un champ gravitationnel proportionnel à sa masse et un champ électrique proportionnel à sa charge. L’influence du moment cinétique est en revanche spécifique à la relativité générale. Celle-ci stipule en effet qu’un corps en rotation va avoir tendance à « entraîner » l’espace-temps dans son voisinage. Ce phénomène, difficilement observable dans le système solaire en raison de son extrême faiblesse pour des astres non compacts, est connu sous le nom d’effet Lense-Thirring (aussi appelé frame dragging, en anglais)Note 3. Il prend une amplitude considérable au voisinage d’un trou noir « en rotation », au point qu’un observateur situé dans son voisinage immédiat serait inévitablement entraîné dans le sens de rotation du trou noir. La région où ceci se produit est appelée ergorégion.

La masse d’un trou noir galactique correspond en général à environ un millième de la masse de la matière présente dans le bulbe central7.

Quatre types théoriques
Les quatre types théoriques de trous noirs en fonction du moment cinétique (J) et de la charge électrique (Q). La masse (M) est toujours strictement positive. M > 0
J = 0 J ≠ 0
Q = 0 Schwarzschild Kerr
Q ≠ 0 Reissner-Nordström Kerr-Newman

Un trou noir possède toujours une masse non nulle. En revanche, ses deux autres caractéristiques, à savoir le moment cinétique (hérité de celui, initial, de la matière l'ayant formé, et détectable seulement par l'effet produit sur la matière environnante) et la charge électrique, peuvent en principe prendre des valeurs nulles (c’est-à-dire égales à zéro) ou non nulles. La combinaison de ces états permet de définir quatre types de trous noirs.

Quand la charge électrique et le moment cinétique sont nuls, on parle de trou noir de Schwarzschild, du nom de Karl Schwarzschild qui, le premier, a mis en évidence ces objets comme solutions des équations de la relativité générale (les équations d’Einstein), en 1916.

Quand la charge électrique est non nulle et le moment cinétique nul, on parle de trou noir de Reissner-Nordström. Ces trous noirs ne présentent pas d’intérêt astrophysique notable, car aucun processus connu ne permet de fabriquer un objet compact conservant durablement une charge électrique significative ; celle-ci se dissipe normalement rapidement par absorption de charges électriques opposées prises à son environnement8. Un trou noir de Reissner-Nordström est donc un objet théorique très improbable dans la nature.

Si le trou noir possède un moment cinétique, mais n’a pas de charge électrique, on parle de trou noir de Kerr, du nom du mathématicien néo-zélandais Roy Kerr qui a trouvé la formule décrivant ces objets en 1963. Contrairement aux trous noirs de Reissner-Nordström et de Schwarzschild, les trous noirs de Kerr présentent un intérêt astrophysique considérable, car les modèles de formation et d’évolution des trous noirs indiquent que ceux-ci ont tendance à absorber la matière environnante par l’intermédiaire d’un disque d’accrétion dans lequel la matière tombe en spiralant toujours dans le même sens dans le trou noir. Ainsi, la matière communique du moment cinétique au trou noir qui l’engloutit. Les trous noirs de Kerr sont donc les seuls que l’on s’attend réellement à rencontrer en astronomie. Cependant, il reste possible que des trous noirs à moment cinétique très faible, s’apparentant en pratique à des trous noirs de Schwarzschild, existent.

La version électriquement chargée du trou noir de Kerr, dotée comme lui d’une rotation, est connue sous le nom de trou noir de Kerr-Newman et ne présente comme le trou noir de Reissner-Nordström ou celui de Schwarzschild que peu d’intérêt astrophysique étant donné sa très faible probabilité.

D’un point de vue théorique, il peut exister d’autres types de trous noirs avec des propriétés différentes. Par exemple, il existe un analogue du trou noir de Reissner-Nordström, mais en remplaçant la charge électrique par une charge magnétique, c’est-à-dire créée par des monopôles magnétiques, dont l’existence reste extrêmement hypothétique à ce jour. On peut de même généraliser le concept de trou noir à des espaces comprenant plus de trois dimensions. Ceci permet d’exhiber des types de trous noirs ayant des propriétés parfois différentes de celles des trous noirs présentés ci-dessusNote 4.

Horizon des événements
Articles détaillés : Horizon des événements et Horizon d’un trou noir.

La zone sphérique qui délimite la région d’où lumière et matière ne peuvent s’échapper, est appelée « horizon des événements ». On parle parfois de « surface » du trou noir, quoique le terme soit quelque peu impropre (il ne s’agit pas d’une surface solide ou gazeuse comme la surface d’une planète ou d’une étoile). Il ne s’agit pas d’une région qui présente des caractéristiques particulières : un observateur qui franchirait l’horizon ne ressentirait rien de spécial à ce moment-là (voir ci-dessous). En revanche, il se rendrait compte qu’il ne pourrait plus s’échapper de cette région s’il essayait de faire demi-tour. C’est une sorte de point de non retour. En substance, c’est une situation qui est un peu analogue à celle d’un baigneur qui s’éloignerait de la côte. Si par exemple le baigneur ne peut nager que deux kilomètres, il ne ressentira rien s’il s’éloigne à plus d’un kilomètre de la côte ; mais s’il doit faire demi-tour, il se rendra compte qu’il n’a pas assez d’énergie pour atteindre la rive.

En revanche, un observateur situé au voisinage de l’horizon remarquera que le temps s’écoule différemment pour lui et pour un observateur situé loin du trou noir. Si ce dernier lui envoie des signaux lumineux à intervalles réguliers (par exemple une seconde), alors l’observateur proche du trou noir recevra des signaux plus énergétiques (la fréquence des signaux lumineux sera plus élevée, conséquence du décalage vers le bleu subi par la lumière qui tombe vers le trou noir) et les intervalles de temps séparant deux signaux consécutifs seront plus rapprochés (moins d’une seconde, donc). Cet observateur aura donc l’impression que le temps s’écoule plus vite pour son confrère resté loin du trou noir que pour lui. À l’inverse, l’observateur resté loin du trou noir verra son collègue évoluer de plus en plus lentement, le temps chez celui-ci donnant l’impression de s’écouler plus lentement.

Si l’observateur distant voit un objet tomber dans un trou noir, les deux phénomènes de dilatation du temps et de décalage vers le rouge vont se combiner. Les éventuels signaux émis par l’objet seront de plus en plus rouges, de moins en moins lumineux (la lumière émise perd de plus en plus d’énergie avant d’arriver à l’observateur lointain) et de plus en plus espacés. En pratique, le nombre de photons reçus par l’observateur distant va décroître très rapidement, jusqu’à devenir nul : à ce moment-là, l’objet en train de chuter dans le trou noir est devenu invisible. Même si l’observateur distant tente d’approcher l’horizon en vue de récupérer l’objet qu’il a eu l’impression de voir s’arrêter juste avant l’horizon, celui-ci demeurera invisibleNote 5.

Pour un observateur s’approchant d’une singularité, ce sont les effets de marée qui vont devenir importants. Ces effets, qui déterminent les déformations d’un objet (le corps d’un astronaute, par exemple) du fait des hétérogénéités du champ gravitationnel, seront inéluctablement ressentis par un observateur s’approchant de trop près d’un trou noir ou d’une singularité. La région où ces effets de marée deviennent importants est entièrement située dans l’horizon pour les trous noirs super massifs, mais empiète notablement hors de l’horizon pour des trous noirs stellairesNote 6. Ainsi, un observateur s’approchant d’un trou noir stellaire serait déchiqueté avant de passer l’horizon, alors que le même observateur qui s’approcherait d’un trou noir super massif passerait l’horizon sans encombre. Il serait tout de même inéluctablement détruit par les effets de marée en s’approchant de la singularité.

Sphère photonique
Article détaillé : Sphère de photons.

Singularité
Article détaillé : Singularité gravitationnelle.

Au centre d’un trou noir se situe une région dans laquelle le champ gravitationnel et les distorsions de l’espace-temps (on parle plutôt de courbure de l’espace-temps) deviennent infinis. Cette région s’appelle une singularité gravitationnelle. La description de cette région est délicate dans le cadre de la relativité générale puisque celle-ci ne peut décrire des régions où la courbure devient infinie.

De plus, la relativité générale est une théorie qui ne peut pas incorporer en général des effets gravitationnels d’origine quantique. Or quand la courbure tend vers l’infini, on peut montrer que celle-ci est nécessairement sujette à des effets de nature quantique.[réf. nécessaire] Par conséquent, seule une théorie de la gravitation incorporant tous les effets quantiques (on parle alors de gravitation quantique) est en mesure de décrire correctement les singularités gravitationnelles.

La description d’une singularité gravitationnelle est donc pour l’heure problématiqueNote 2. Néanmoins, tant que celle-ci est située à l’intérieur de l'horizon du trou noir, elle ne peut influencer ce qui est à l’extérieur de cet horizon, de la même façon que de la matière située à l’intérieur de l'horizon d’un trou noir ne peut en ressortir. Ainsi, aussi mystérieuses que soient les singularités gravitationnelles, notre incapacité à les décrire, signe de l’existence de limitations de la relativité générale à décrire tous les phénomènes gravitationnels, n’empêche pas la description des trous noirs pour la partie située de notre côté de l’horizon des événements.

TROU NOIR BINAIRE - Une nouvelle fusion de trous noirs détectée par LIGO
Une nouvelle fusion de trous noirs détectée par LIGO

Le détecteur d’ondes gravitationnelles Advanced Ligo, installé aux États-Unis,
a observé le signal émis par la fusion de deux trous noirs de 8 et 14 masses solaires,
à 1,4 milliard d'années-lumière de la Terre.

« Nous sommes dans la partie haute de la fourchette.
C’est de bon augure pour la suite », se réjouit Benoît Mours,
au Laboratoire d’Annecy-le-Vieux de physique des particules (Lapp).

Il y a encore quelques mois, les chercheurs engagés comme lui dans les collaborations Ligo et Virgo
ne savaient pas vraiment ce que leur réserverait le ciel.

Après des années de développement,
leurs instruments allaient-ils devoir patienter encore longtemps
avant de détecter enfin une onde gravitationnelle ?

L’Univers hébergeait-il suffisamment d’objets célestes capables d’émettre ces ondes,
en particulier des objets compacts en train de fusionner ?
« Les prédictions variaient d’un facteur dix mille... », se souvient le chercheur.

Avec la première détection d’une onde gravitationnelle le 14 septembre 2015
(annoncée le 11 février 2016 après une longue analyse)
et une deuxième le 26 décembre (annoncée ce 15 juin), les voilà rassurés.
D’autant qu’elles ont eu lieu au cours de la toute première période d’observation d’Advanced Ligo
(du 12 septembre 2015 au 19 janvier 2016).

« En septembre, les deux détecteurs de Ligo
commenceront une nouvelle prise de données avec une sensibilité encore meilleure.
Nous espérons aussi que Advanced Virgo pourra les rejoindre avant la fin de l’année », reprend Benoît Mours.

GW151226, le nom donné à l'événement annoncé aujourd'hui,
a impliqué deux trous noirs de 8 et 14 masses solaires,
qui ont fusionné en un seul de 21 masses solaires à 1,4 milliard d’années-lumière.
Leur chute en spirale a provoqué l’émission d’un tremblement d'espace capté pendant une seconde par Ligo.

« Le signal était moins intense que pour GW150914, mais il a duré plus longtemps,
car les masses en jeu étaient plus faibles », précise Benoît Mours.
En février, les masses relativement importantes des deux trous noirs qui fusionnaient
(29 et 36 masses solaires) avaient surpris. « Cette fois, nous sommes plus dans la norme. »

Comme pour GW150914,
la détection d’un signal gravitationnel a immédiatement déclenché une alerte à destination de télescopes dans le monde entier.
« Nous avons une soixantaine de partenaires susceptibles de détecter un éventuel signal électromagnétique »,
explique Benoît Mours.

Observer la lumière associée à l’émission d’une onde gravitationnelle
permettrait de collecter de nombreuses informations sur l’émetteur.
« Mais rien n’a été vu, ce qui était d’ailleurs attendu pour la fusion de deux trous noirs » reprend le chercheur.

De ce point de vue, l’absorption d’une étoile à neutrons par un trou noir,
ou la coalescence de deux étoiles à neutrons, serait plus prometteuse.
Un signal gravitationnel de ce genre sera-t-il capté avant la fin de l’année ?

SOURCE
https://www.cieletespace.fr/actualites/une-nouvelle-fusion-de-trous-noirs-detectee-par-ligo

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Einstein@Home:
NOUVEAU TROU NOIR BINAIRE DETECTÉ ( LIGO )
LIGO Does It Again:
A Second Robust Binary Black Hole Coalescence Observed

The two LIGO gravitational wave detectors in Hanford Washington and Livingston Louisiana have caught a second robust signal from two black holes in their final orbits and then their coalescence into a single black hole. This event, dubbed GW151226, was seen on December 26th at 03:38:53 (in Universal Coordinated Time, also known as Greenwich Mean Time), near the end of LIGO's first observing period ("O1"), and was immediately nicknamed "the Boxing Day event".

In GW151226, the two black holes weighed in at 14 and 8 solar masses and merged at a distance of some 1.4 billion light years from Earth. Get all the info from the LIGO science summary .

Thanks for your continuous support in these exciting times!

Oliver, for the whole Einstein@Home team

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