TROUS NOIRS

Physique des trous noirs

Les propriétés physiques des trous noirs sont si déroutantes qu'elles ont longtemps nui à leur crédibilité. En réalité, elles découlent des lois de la relativité générale poussées à la limite des champs gravitationnels très forts, avec pour conséquence les distorsions les plus spectaculaires de l’espace-temps.

Ainsi, à proximité d'un trou noir, l'espace est fortement déformé. Un astronaute qui s'aventurerait à proximité d’un trou noir stellaire verrait son corps étiré comme un spaghetti du fait des forces différentielles de gravitation (ses pieds subissant une force d’attraction beaucoup plus forte que sa tête). Mais l’intensité de ces forces dites « de marée » dépend de la masse du trou noir. Très grandes pour un trou noir de type stellaire au point de rendre impossible son approche par un astronaute ou un vaisseau spatial (qui serait immanquablement détruit), ces forces de marée sont négligeables à la surface d’un trou noir supermassif, qui pourrait donc être franchie sans encombre.

Corrélativement à l’étirement de l’espace, le temps est fortement dilaté. Un observateur extérieur au trou noir qui regarderait l'astronaute au télescope ne le verrait jamais plonger dans le trou noir, mais aurait l'impression qu'il ralentit de plus en plus – alors qu‘il s’agirait précisément du contraire : il accélérerait frénétiquement. Pour l'astronaute (qui aurait résisté aux forces de marée, en choisissant d'explorer un trou noir supermassif plutôt qu'un trou noir stellaire…), le temps s'écoulerait normalement et il se verrait tomber vers l'horizon des événements en un temps fini. Mais il y plongerait tellement vite que sa vitesse tendrait vers celle de la lumière, de sorte que, en vertu des lois de la relativité générale, chaque image de son voyage mettrait un temps de plus en plus long pour parvenir à l'extérieur. À la limite, lorsqu'il atteindrait la surface du trou noir, sa vitesse atteindrait celle de la lumière, et son image mettrait un temps infini à sortir. L'astronaute paraîtrait gelé à jamais dans son mouvement au moment où il sortirait du rayon de visibilité.

La naissance d'un trou noir est marquée par l'émission de rayonnements électromagnétiques et d’ondes gravitationnelles. Les mathématiciens ont pu démontrer que la géométrie de l'espace-temps extérieur à l'astre en effondrement atteint un état d'équilibre assez simple autour de l'horizon des événements, toutes les irrégularités étant dissipées par les ondes gravitationnelles. Il s'ensuit que l’état final d’un trou noir est entièrement décrit par trois paramètres seulement : sa masse M, son moment angulaire J (grandeur qui décrit son état général de rotation) et sa charge électrique Q. Cette propriété est très étonnante. Un corps ordinaire, disons un simple caillou, outre sa masse, son éventuel moment angulaire et son éventuelle charge électrique, est caractérisé par une forme, des couleurs, une composition chimique, des milliards de particules élémentaires organisées d’une certaine manière, etc. Sa description complète requiert donc la connaissance d’un nombre gigantesque de paramètres. Le trou noir, lui – et c’est précisément ce qui le distingue de tout autre type de corps matériel – est totalement décrit par les trois quantités (M, J, Q). Quelles que soient les milliards d’autres informations stockées en lui, aucune n’est accessible de l’extérieur et n’influe en quoi que ce soit la manière dont l’espace-temps prend forme autour de lui. En outre, comme il n’y a pas de situation astrophysique réaliste permettant à un trou noir de conserver une charge électrique, l’état final d’un trou noir ne dépend plus que de M et J. On l’appelle « trou noir de Kerr[...]

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Écrit par

Jean-Pierre LUMINET : directeur de recherche émérite au CNRS, laboratoire d'astrophysique, Marseille

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Puits gravitationnel créé par un trou noir - crédits : J.-P. Luminet — Puits gravitationnel créé par un trou noir

J.-P. Luminet

Formation de trous noirs stellaires et sursauts gamma - crédits : J.-P. Luminet — Formation de trous noirs stellaires et sursauts gamma

J.-P. Luminet

Galaxie NGC 1277 - crédits : NASA/ ESA/ Andrew C. Fabian/ Remco C. E. van den Bosch (MPIA) — Galaxie NGC 1277

NASA/ ESA/ Andrew C. Fabian/ Remco C. E. van den Bosch (MPIA)

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