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Trous noirs : Les mystères du cosmos

En regardant le ciel, on aperçoit des milliers d’étoiles qui ont su fasciner l’être humain à travers les siècles. Pourtant, les étoiles les plus mystérieuses sont celles qu’on ne voit pas, on les appelle communément : les trous noirs. L’existence de ces astres mythiques a été envisagée pour la première fois en 1783, par John Michel, un géologue et astronome anglais dans un article envoyé à la Royal Society. Dans ce dernier, il élaborait le concept d’un corps céleste si massif que même la lumière ne pourrait s’en échapper. Depuis, l’existence des trous noirs a été prédite et prouvée à maintes reprises, toutefois, les nouvelles théories leur donnent une place incroyablement plus importante qu’on ne l’aurait cru à l’époque de John Michel. En effet, selon les dernières découvertes, notre univers serait le produit d’un trou noir de plus haute dimension d’espace, mais commençons par le commencement…

Qu’est-ce qu’un trou noir ?

Un trou noir est comme John Michel l’a décrit un corps si massif que même la lumière, qui voyage à 300 000 kilomètres par seconde ne peut s’en échapper. Pour mieux comprendre cette phrase, on doit connaître la notion de vitesse de libération. La vitesse de libération est la vitesse à laquelle doit aller un objet pour qu’il puisse échapper au champ gravitationnel d’un astre. Un objet peut échapper à un champ gravitationnel, car l’intensité d’un champ n’est pas constante dans tout l’univers. En effet, plus on s’éloigne de l’astre émetteur, plus le champ gravitationnel émis par ce dernier sera faible. En réalité, si l’objet est assez loin de l’astre il ne sera même plus du tout attiré. Pour illustrer le tout, prenons un exemple. Imaginez que l’on tire un objet sur terre vers le ciel, mais en bas de la vitesse de libération. Malheureusement pour nous, la seule chose à faire est de s’écarter, car l’objet retombera inévitablement, attiré par le champ gravitationnel terrestre. Toutefois, si on le tire avec une vitesse plus élevée que la vitesse de libération ce dernier se retrouvera dans l’espace à flotter, puisqu’il sera alors libéré du champ. Il est également important de mentionner que l’intensité du champ gravitationnel dépend de la masse de l’astre. Ainsi, plus l’astre est massif, plus la vitesse de libération est importante. En effet, la vitesse nécessaire pour qu’un objet sur terre soit libéré du champ d’attraction terrestre est de 11,2 km/s alors que pour se libérer de l’attraction du soleil un objet doit aller à 607,5 km/s. Ainsi, un trou noir est un astre qui, lors de son effondrement, a un champ gravitationnel si fort que sa vitesse de libération dépasse la vitesse de la lumière de 300 000 km/s. Donc, les trous noirs sont noirs parce qu’ils ne laissent même pas la lumière s’échapper. Toutefois, une question encore plus primordiale demeure: « Comment s’assurer qu’ils existent ? »

Sont-ils réels ?

Par le passé, les scientifiques avaient prouvé l’existence des trous noirs de manière indirecte, c’est-à-dire que de nombreuses théories prédisaient leur existence. Parmi ces théories, on retrouve la relativité générale d’Einstein, qui non seulement prédit leur existence, mais stipule que tout astre suffisamment dense en deviendrait un en fin de vie. Ces prédictions ont débuté lors de l’observation d’immenses astres et planètes qui semblaient n’être en orbite autour de rien, comme s’il manquait de matière : de la matière que l’on ne pourrait voir. Les trous noirs, ces étoiles super massives, étaient la solution à ce drôle de mystère. Toutefois, cette preuve est indirecte, dans la mesure où l’on n’avait aucune preuve tangible et encore moins visible d’un astre qui par définition est invisible. C’était un problème avant 2015 ! En effet, le physicien Thibault Damour conjointement avec sa collègue Alessandra Buonanno avait prédit en 2000 l’effet qu’aurait la fusion de deux trous noirs et les ondes gravitationnelles que cette fusion engendrerait. En 2015, cette prédiction fut observée par la toute nouvelle machine LIGO, justement conçue afin de détecter les ondes gravitationnelles. Cette incroyable machine a collecté, en septembre dernier, une onde de 0,2 secondes qui ne pouvait venir que de la fusion de deux trous noirs. Ce fait confirmait du même coup la théorie de la relativité d’Einstein, mais plus fondamentalement encore , « c’est la preuve de l’existence de trous noirs ».

Maintenant que nous savons que les trous noirs sont bien réels et que nous savons qu’ils absorbent tout, nous allons nous pencher sur leur formation.

La formation d’un trou noir en quelques étapes faciles  

Pour créer un trou noir de type stellaire nous avons besoin d’un seul ingrédient : une étoile en fin de vie qui aura au minimum 3,2 fois la masse du soleil.

Étape 1 : Durant la presque totalité de sa vie, une étoile consomme de l’hydrogène en faisant fusionner par fusion nucléaire les atomes d’hydrogène. Cette fusion donne comme produit de l’hélium et énormément d’énergie. Toutefois, lorsque les réserves d’hydrogène sont épuisées, si l’étoile est assez massive, ce sera le tour aux atomes d’hélium de fusionner, puis le tour des atomes de carbone et ainsi de suite

Étape 2 : Toutefois, même avec des étoiles extrêmement lourdes, la fusion ne peut pas se poursuivre éternellement. En effet, lorsque la fusion est rendue à l’atome de fer, elle s’arrête, puisque la force de répulsion entre les atomes de fer est trop grande pour qu’ils puissent fusionner. À ce stade, l’étoile finit par ne plus avoir de combustible et alors, elle meurt.

Étape 3 : Par contre, à la fin de la fusion nucléaire, deux forces entrent en compétition la gravité et le principe d’exclusion de Pauli (qui ne sera pas expliqué dans le cadre de cet article). Cette bataille entre les deux forces donne trois cas de figure possibles et notre soleil est parfait pour expliciter le premier.

Étape 3 (Premier cas) : À la fin de sa vie, notre soleil ne sera pas assez massif pour devenir un trou noir. En effet, la force gravitationnelle qui provoque le contracte des astres sera complètement annihilé par le principe d’exclusion de Pauli, se faisant notre soleil diminuera par rapport à sa taille actuelle, mais ne deviendra pas un trou noir. Il deviendra plutôt une simple naine blanche, c’est-à-dire une étoile morte.

Étape 3 (Deuxième cas) : Par contre, si une étoile pèse plus de 1,44 fois et moins de 3,20 fois la masse du soleil, sa pression gravitationnelle, lors de son effondrement, surpassera la force du principe d’exclusion de Pauli. Ce qui aura pour effet que l’étoile se contractera au point où les protons et les électrons fusionneront ensemble, ce qui formera des neutrons et donc une étoile à neutrons. Toutefois, ce genre d’étoile n’est pas assez massive pour forcer les neutrons à fusionner ensemble. Ainsi, l’étoile arrête de se contracter à ce stade.

Étape 3 (Troisième cas) – Toutefois, si l’étoile possède une masse supérieure à 3,2 masses solaires, la gravité dominera tout incluant la répulsion entre les neutrons et l’étoile s’effondrera et toute sa masse sera alors concentrée en un point de pression absolu que l’on appelle : la singularité.

À la suite de ces quelques étapes, un trou noir est formé. Toutefois, le mystère entourant la composition de ces astres demeure entier : En effet, que se cache-t-il à l’intérieur d’un trou noir?

Par Jérôme Larivière

 

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