Quelques rappels utiles :
. une fonction mathématique, comme toute équation, décrit un espace ou un volume et définit donc une "partie de l'espace" que l'on peut se représenter et dessiner ;
. la composition de la matière en atomes est connue depuis près de 2000 ans ;
. la vitesse maximum envisageable pour une particule est la "célérité" ou "vitesse de la lumière dans le vide", qui vaut c = 300 000 km/s, et qui est la vitesse supposée maximale de notre univers
(il est à noter que la célérité est constante, c'est à dire que, dans un milieu uniforme, la vitesse observée pour un même rayon lumineux sera la même quelque soit les référentiels considérés, en mouvement les uns par rapport aux autres).
 
Le trou noir découle directement de la théorie de la relativité générale, prérequis à la présente page.
 
 
PARTICULARITE DE LA THEORIE : LE TROU NOIR
 
    Shrödinger, un physicien allemand, démontra pendant la guerre, entre deux calculs de trajectoires de missiles, une particularité intéressante et déroutante de la théorie de la relativité générale énoncée par Einstein. Il s'aperçut que, dans le cas d'une masse énorme, compactée dans un volume minuscule, la théorie s'écroule : il a mis en évidence l'incompétence de la relativité pour expliquer les phénomènes de "singularité".
 
    On appelle singularité un point de l'espace de volume nul et de densité infinie (traduction mathématique de la présence d'une masse énorme dans un espace tout petit, voir ponctuel) ; les caractéristiques de ces singularités ne peuvent être décrites par la relativité générale qui donne alors des chiffres aberrants. Pourtant, comme on l'a vu, la théorie doit décrire les mouvements de toutes les masses, quelque soit leur volume!
 
    Après avoir tourné et retourné le problème dans tous les sens, Schrödinger mit en évidence, en extrapolant la représentation précédente (un espace à trois dimensions organisées symbolisé par un drap tendu, en deux dimensions), que cette singularité peut être représentée en remplaçant le ballon du Soleil par une bille toute petite et extrêmement lourde. Cette bille créerait donc le même type de cône de déformation dans l'espace, mais sa masse serait tellement lourde que ce cône serait très fin et très profond, tellement profond qu'au bout d'un moment même la lumière ne pourrait s'en échapper … formant ce qu'on appellera dorénavant un "trou noir" (représenté à droite sur l’image ci-dessus).
 
    Le trou noir se décrit typiquement comme étant une singularité (volume nul et densité infinie) qui déforme tellement l'espace que la matière soumise à son attraction gravitationnelle ne peut s'en échapper et que même la lumière ne peut se soustraire à son action!
 
    En fait, un trou noir peut être considéré comme une étape ultime de l'effondrement d'une grosse étoile qui aurait brûlé tout son carburant, pour peu que cette étoile remplisse quelques conditions préalables précises. Sans entrer dans les détails de ces conditions, cela implique qu'un trou noir a bien une dimension finie et minuscule (quelques centimètre ou fraction de centimètre cube), fonction de la masse initiale de l'étoile.
 
 
Trou noir et effondrement gravitationnel
 
    Les trous noirs, ces objets maléfiques qui alimentent depuis si longtemps nos meilleurs écrivains. Que sont-ils et à quoi servent-ils? Mais surtout, ne sont-ils pas simplement une invention scientifique qui n'en finit pas de noircir des pages blanches (le comble pour un trou noir)?
 
        Certes cette notion de trou noir est tout à fait explicable, et est même nécessaire pour la validité de la relativité générale telle que l’écrivit Einstein. Certes le fait que ce trou soit noir est justement une raison pour ne pas pouvoir l'observer. Mais est-il vraiment noir? A en croire la théorie la plus répandue pour expliquer sa formation, il n'en est rien ; d'ailleurs, la notion d'astre occlus, sa première dénomination, se rapprocherait plus de la vérité théorique de ce type d'astre stellaire que celle de trou noir.
 
    Petit rappel avant d'aller plus loin. Une étoile se forme en rassemblant du gaz (de l'hydrogène) en une grosse boule. Lorsque ces atomes gazeux sont assez nombreux et assez proches les uns des autres, la chaleur de l'étoile augmente et des réactions de fusion thermonucléaire ont lieu. Ces réactions consistent en la transformation par combinaison de deux noyaux d'hydrogène d'un noyau atomique plus lourd, formant ainsi un nouvel atome - dans un premier temps l'hélium, puis tous les atomes de la classification.
 
        Un trou noir est formé par une étoile très grosse - de masse bien supérieure à celle du soleil - qui aurait épuisé tout le carburant atomique lui permettant de briller et de chauffer. Elle aurait alors grossit, dans un premier temps, pour former ce que l'on appelle communément une géante rouge - grossissant environ 250 fois! Puis elle aurait rapetisser, jusqu'à être toute petite mais très dense - puisqu'elle n'a pas perdue de sa masse initiale - en naine blanche.
Pour des étoiles juste un peu plus grosse que notre soleil, la naine blanche aurait finalement exploser en supernovae, dans un feu d'artifice grandiose, en larguant dans l'espace près de 90% de sa masse. Les presque 10% restant se seraient alors condenser en une boule toute petite, tellement petite que les électrons et les protons auraient réagis ensemble pour former des neutrons - c'est d'ailleurs pour ça qu'on les appelle des étoiles à neutrons.
 
        Oui mais voilà! Les étoiles vraiment très grosses ne pourraient pas s'arrêter au stade de naine blanche, et continueraient à se recroqueviller jusqu'à ... jusqu'à un rayon si petit que même la lumière ne pourrait s’en échapper - le rayon de Schwarzschild. Difficile à imaginer, mais pourtant théoriquement véridique : l'étoile, presque mille fois plus grosse que le soleil - c'est la condition à la formation du trou noir -, se serait faite toute petite, jusqu'à ne devenir qu'un point unique, dans lequel, croyez-le ou non, toute sa masse d'origine serait condensée. C'est la singularité. Singulier il l'est, ce point unique de l'espace, à la densité quasi-infinie, d'où ne peut s'échapper ni lumière, ni matière, ce trou noir!
 
    Seulement voilà : certes la lumière ne peut s'échapper directement de la singularité spatio-temporelle, mais en se formant, le trou noir est passé par plusieurs stades qui pourraient, selon les théories généralement admises, lui donner l'apparence d'une petite étoile avec un anneau. Et oui, car au cours de son rétrécissement, la lumière qu'il émettait est restée piégée en deux endroits, obligée de passer le reste de leur infinie vie à tourner en rond! Nous devrions donc pouvoir observer ces "Saturnes stellaires"...?
 
image : NASA
 
Inconstance spatio-temporelle
 
    D'après bon nombre de chercheurs, un trou noir n'est pas exceptionnel juste parce qu'il n'émet pas de lumière. Il est encore plus exceptionnel de par sa faculté à allonger les courbes spatio-temporelles.
 
    Entendons-nous bien : nous avons à tord l'habitude de séparer les dimensions spatiales de la dimension temporelle. En effet, il serait finalement bien absurde de considérer l'une sans l'autre : le temps sans espace ne sert à rien, et l'espace sans le temps non plus (imaginez passer trois ans dans une petite boîte, ou bien visiter un château en moins d'une seconde...). C'est un fait : le temps et l'espace sont liés!
En physique, cette liaison des dimensions peut être représentée par les rayons lumineux ; en effet, la lumière est composée de particules, les photons, qui se déplacent (dans l'espace à trois dimensions) avec une certaine vitesse, en l'occurrence la plus rapide qui soit : 300 000 kilomètres par seconde.
 
    Nous savons depuis qu'Einstein s'est penché sur le sujet, que la lumière peut être déviée par des champs gravitationnels forts (prés d'une étoile par exemple). Nous l'avons même observé lors d'éclipses solaires totales... Or ce n'est pas la particule qui est attirée, puisqu'un photon n'a ni charge, ni masse, il n’y a donc rien chez lui qui puisse être attiré. L’attraction gravitationnelle concerne donc la courbe spatio-temporelle décrite par les photons.
 
        Dans un trou noir, cette courbe s'étire presque à l'infini.
 
 


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