Le rayonnement des trous noirs

par Simon Bourget et Luong Ha Nguyen,
doctorants à l'École Polytechnique de Montréal 

Luong Ha Nguyen Machine d’apprentissage –  Génie civil  Modélisation probabiliste en temps réel du comportement des structures en génie civil

Luong Ha Nguyen

Machine d’apprentissage –  Génie civil  Modélisation probabiliste en temps réel du comportement des structures en génie civil

Simon Bourget      La construction de ponts accélérés – Génie civil  Rendement sismique de piles de ponts préfabriquées avec chemisage en biles de ponts de fibres

Simon Bourget     

La construction de ponts accélérés – Génie civil  Rendement sismique de piles de ponts préfabriquées avec chemisage en biles de ponts de fibres

D’où nous provient l’idée d’un corps stellaire invisible ayant la capacité d’avaler des étoiles ? Comment à la fin du XVIIIe siècle deux physiciens culturellement opposés, John Michell (Angleterre [1784]) et Pierre-Simon Laplace (France [1796]) ont-ils indépendamment élaboré le concept des « corps non lumineux » ?  

Selon Montgomery et al. (2009), c’est avec des observations hypothétiques de la nature de couple stellaire que Michell a développé le concept et plus rigoureusement selon l’estimation de la distance entre ces deux étoiles par rapport à leurs parallaxes. Michell supporte la prémisse que seule la masse peut influencer la quantité de lumière émise. Laplace, lui, a plutôt imaginé de façon spéculative l’origine du système solaire et la nature de l’Univers. Ces deux théoriciens ont d’abord expliqué de façon schématique leur propre concept de la force attractive des corps invisibles basé sur des hypothèses. La créativité de chacun pour imaginer l’inconnu est impressionnante. Laplace est même arrivé à formuler une preuve mathématique quelques années après son illumination.

C’est seulement en 1907 que l’astronome allemand, Karl Schwarzchild, à partir des équations de la relativité d’Einstein, y soit réellement parvenu théoriquement. Il a démontré par calcul le rayon d’attraction, aujourd’hui connu sous le nom de rayon Schwartzchild, autour d’une singularité où tout objet incluant la lumière ne peut s’en échapper. On peut voir sur l'Image ci-dessous le centre de la Voie lactée où se trouve un possible trou noir, nommé Sagittarus A.

Centre de notre galaxie nommée Zone Moléculaire Centrale (figure 1) Crédit photo : A. Ginsburg (U. Colorado – Boulder) et al.

Centre de notre galaxie nommée Zone Moléculaire Centrale (figure 1)
Crédit photo : A. Ginsburg (U. Colorado – Boulder) et al.

Deux questionnements stimulent notre imagination :

Comment peut-on observer les trous noirs ?

Actuellement on est incapable de physiquement observer les trous noirs. En revanche, on prédit leurs présences en observant ses effets sur les matières qui l’entourent. Par exemple, si les gaz proches d’une étoile sont entraînés vers le trou noir, l’énergie intense gravitationnelle pourrait les chauffer jusqu’à des millions de degrés. Par conséquent, on peut repérer la présence du trou noir à l’aide d’une émission de rayon X. Aussi, on peut prouver la présence d’un grand trou noir en mesurant la vitesse des matières comme les gaz, poussières ou étoiles autour de lui. La première observation de ce genre date de la fin des années 60, Cygnus X-1, où un satellite a enregistré une importante émission radio causée par le passage d’une géante bleu à proximité.

À chaque passage près du rayon Schwartzchild, la dégradation s’accentue. Cependant, ces deux méthodes demeurent toujours des hypothèses et dépendent grandement de la densité des corps stellaires observés. La meilleure méthode est d’observer les ondes gravitationnelles que le trou noir produit lors de son interaction avec un autre trou noir ou avec d’autres matières qui l’entourent pour confirmer son existence. Les scientifiques sont parvenus à construire des interféromètres géants suffisamment sensibles pour mesurer ces distorsions de l’espace-temps. Une captation de ces vibrations gravitationnelles a eu lieu en septembre 2015 entre deux sites américains.

Est-ce que les trous noirs pourraient détruire la Terre ?

De nos jours, il a été observé que chacune des galaxies comprend un corps « non lumineux » en leur centre. Les trous noirs suivent les lois de la gravité comme pour les autres corps stellaires. Pour affecter la Terre, le rayon Schwarzchild doit se situer près du système solaire, ce qui n’est pas présentement possible. Si le poids du trou noir est le même que celui du soleil, la Terre ne serait pas entraînée vers lui parce qu’ils ont la même attraction gravitationnelle. Alors, la Terre tournerait toujours autour du trou noir comme autour du soleil, mais la vie n’en serait pas moins affectée. Qu'en est-il de la possibilité de l’effondrement gravitationnel du soleil ? Pour l’instant, les astronomes nous prédisent encore quelques milliards d’années avant que celui-ci se contracte en géante rouge.

La complexité de notre univers nous fait souvent philosopher sur qui nous sommes et d’où nous venons. Cette quête pour trouver des réponses sur notre existence a poussé l’imagination de l’Homme à comprendre des phénomènes inconnus. À l’aide d’observations et d’hypothèses, nous sommes parvenus à schématiser des problèmes hors de notre portée pour en prouver l’existence. Mais qu’en est-il des autres mystères comme, par exemple, l’existence de vies extra-terrestres ? Notre créativité est sans limites. L’idée des «trous de ver», tunnel entre deux espaces-temps, fascine toujours les humains pour répondre à la problématique des voyages interstellaires. Peut-être qu’un jour la théorie des cordes réussira à unifier la physique quantique et celle de la relativité générale.    


Références

Montgomery, C., Orchiston, W., & Whittingham, I. (2009). Michell, Laplace and the origin of the black hole concept. Journal of Astronomical History and Heritage, 12(2), 90-96

Jo, C., & Li, D. (2007). Black holes. Tiré de http://www.odec.ca/projects/2007/joch7c2/index.html

Esslinger, O. (2017). Une introduction à l’astronomie et l’astrophysique. Tiré de http://www.odec.ca/projects/2007/joch7c2/index.html

Et pour aller plus loin : Une vidéo présentée par la NASA sur un événement détecté par le satellite à rayon X Swift en mars 2011 à près de 4 milliards d’années-lumière de notre galaxie montrant la chute d’une étoile dans un trou noir.

http://www.dailymotion.com/video/xkqemp_la-nasa-presente-le-trou-noir-et-l-etoile_lifestyle