Les trous noirs

Dis papa, c'est quoi un trou noir ? 🤔

La question est toute simple, mais combien de parents sauront répondre judicieusement ?

La plupart du temps, on va partir sur un truc du genre : "c'est un objet tellement lourd que même la lumière ne peut s'en échapper".

Mouais, c'est pas faux, mais ça n'explique toujours pas pourquoi…

Quel rapport y a t'il entre le poids et la lumière ?

Intrigué ? Ok aujourd'hui on parle des troublants trous noirs 😅 (désolé pour la blague à 2 balles)…

Si vous en jetez une (une balle, faut suivre) en l'air, elle retombe. Jetez-là plus fort, elle retombe encore, attirée vers le sol par la gravité terrestre.

Cette gravité est une force exercée par la terre : tous les corps s'attirent mutuellement. Et cette attraction est proportionnelle à la masse des corps. La terre (qui a une masse infiniment plus importante que tout autre objet se trouvant à sa surface) exerce donc sa force d'attraction, attirant à elle tout ce qui se trouve jusqu'à une certaine distance.

C'est cette force qui fait que la balle retombe au sol, invariablement...

Ça, vous le saviez déjà.

Question : y a t'il une vitesse à partir de laquelle la balle pourrait s'affranchir de l'attraction terrestre et ne jamais retomber ? Réponse : oui. Mais pour cela, il faut la lancer avec une énergie (cinétique) qui soit supérieure à l'énergie gravitationnelle exercée par la terre. Cette limite critique s'appelle la vitesse de libération.

La vitesse de libération ne dépend que de 2 variables : la constante gravitationnelle de la planète et son rayon. Le poids de la balle (ou de n'importe quoi) n'intervient pas dans le calcul. Peut-on calculer cette vitesse ? Oui. Je vous fais grâce de la formule (étonnamment très simple) et des calculs, amusons-nous plutôt à comparer la valeur de cette vitesse de libération pour quelques objets familiers :

• Pour la terre, la vitesse de libération vaut 11.2 km/s. Pas km/h bien sûr, km/secondes. C'est vraiment beaucoup : ça fait 40.400 km/h ! Aucun risque que vous parveniez à envoyer la balle sans qu'elle ne retombe sur terre. 😄

• Pour la lune, la vitesse de libération est plus faible : 2,4 km/s ou 8.600 km/h (normal, la lune est plus petite et moins dense que la terre).

• Pour Mars, la vitesse de libération est de 5 km/s ou 18.000 km/h.

• Pour le soleil elle est de 617 km/s ou 2.221.200 km/h.

Ok, maintenant, imaginez un objet qui aurait la masse du soleil, mais un rayon de seulement 15 km. Si si, ça existe ! Si on calcule la vitesse de libération à la surface de cet objet, on trouve la vitesse époustoubouriffante 515.000 km/s. 😲

Là normalement, vous devriez sursauter. Quoi, il n'y a rien qui vous choque ? Je vous donne un coup de main : Vous connaissez la vitesse de la lumière ? 300.000 km/s.

Voilà, vous venez de comprendre, c'est ça le truc : la vitesse de libération à la surface de cet objet est supérieure à la vitesse de la lumière (c'est ça la définition d'un trou noir). Et l'on sait (merci Einstein) que rien ne peut dépasser la vitesse de la lumière. Voilà pourquoi la lumière ne peut s'en échapper.

Je répète tellement c'est dingue : Un trou noir, c'est un astre dont la vitesse de libération est supérieure à la vitesse de la lumière. De sorte que rien ne peut s'en échapper, pas même la lumière.

Vous l'aurez deviné, des astres qui présentent une telle densité ne sont pas très courant.

Il y a plusieurs types de trous noirs, les plus petits sont nommés trous noirs stellaires, les plus gros sont nommés supermassifs.

Les astrophysiciens pensent qu'au moins 1 trou noir se trouve au cœur de chaque galaxie. Notre galaxie, la voie lactée, héberge un trou noir supermassif dans la région de Sagitarius A* (prononcer A étoile).

Cela dit, un trou noir, ce n'est ni un trou, ni noir ! C'est au contraire comme on vient de le dire, un astre composé de matière, beaucoup de matière, donc très massif, tellement massif et tellement dense que la force de gravitation qu'il exerce autour de lui est titanesque. Au point d'attirer vers lui et d'absorber tous les objets qui passent à sa portée. Mais cette portée est (heureusement) limitée. Il existe une frontière (l'horizon des évènements) en dehors de laquelle vous restez maître de votre vaisseau, vous pouvez vous diriger où bon vous semble. Mais si vous franchissez cet horizon des évènements, vous êtes foutus ! Quelle que soit la puissance de votre vaisseau, vous êtes condamné à vous écraser à la surface du trou noir. Et rien ne dit qu'il soit noir, mais comme aucune lumière ne peut s'en échapper, il nous paraît noir.

Pour vous donner une idée de la densité de matière au sein d'un trou noir, dites-vous (vous n'êtes pas prêt) qu'une cuillère à soupe de cette matière pèse : 20 milliards de tonnes ! Je sais, notre cerveau ne peut pas ingurgiter ça... 😲

En avril 2019, une équipe internationale d'astrophysiciens a réussi à imager un trou noir pour la première fois. Évidemment, on ne peut pas voir un trou noir, mais on peut très bien voir l'influence qu'il exerce sur son environnement.

Pour réaliser cette photo, il a fallu un réseau de 8 radiotélescopes (l'Event Horizon Telescope : le télescope de l'horizon des évènements, j'en parle ici) répartis à la surface de la terre (dont le télescope de l'IRAM sur le plateau du pic de Bure dans le Dévoluy 05 cocorico!) et 2 ans pour exploiter les datas récoltées pour former cette image.

Il s'agit ici de M87, situé à 55 d'années lumière de la terre.

Michel Havez, Mai 2021.