Sur la route des monstres de notre univers, les trous noirs

This post is a French adaptation of one earlier post addressing generalities about black holes. For the English version, please follow this link. As always, questions can be asked either in English, or in French.

Depuis la découverte des ondes gravitationnelles, nous vivons dans ce que nous appelons l’ère de la gastrophysique où les trous noirs jouent un rôle central.

Nous avons en effet de quoi conclure à leur existence grâce aux résultats de Virgo et LIGO.

Dans cet article, je discuterai un petit peu de relativité générale, du fait que l’univers est plat et du mouvement à travers l’espace-temps.

Ensuite, dans un second article (d’ici un mois quoi :p), je parlerai de trous noirs et de matière noire, et surtout de comment l’un peut expliquer l’autre… Un programme bien sombre, je sais ;)

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LA PLATITUDE DE L’UNIVERS

Allons directement au but. La Terre n’est pas plate. Mais l’univers l’est! La dernière affirmation découle des observations (qui sont nombreuses) et de la cosmologie standard, qui expliquent tous les deux que dans une bonne approximation, l’univers est une surface plate.

Bien que cela peut sembler un peu fou, tout devient plus clair lorsque l’on prend le temps de définir le sens du mot ‘plat’.

Prenons une planète comme point de départ, ainsi qu’un bon tas d’observateurs que nous répartissons le long de l’équateur de la planète. Ensuite, demandons leur de dessiner sur le sol des lignes parallèles pointant directement vers le pôle nord de la planète.

Bien que toutes leurs lignes soient parallèles, elles vont se croiser exactement au pôle nord.

Et si des lignes parallèles se croisent, nous nous trouvons exactement, par définition, sur une surface qui n’est pas plate. Une planète comme la Terre n’est donc pas plate. Voilà, ça c’est dit. Les Egyptiens peuvent dormir tranquilles.

Pour l’univers, c’est pareil. En supposons que l’on trace des lignes parallèles sur sa surface (on peut par exemple imaginer un petit tas de rayons laser), elles ne se croiseront jamais. L’univers est donc plat.

Plus sérieusement, il existe d’autres façons permettant de vérifier que l’univers est plat. Par exemple, les données sur le fond diffus cosmologique, une relique des premiers instants de l’univers, permettent de dériver la courbure de la surface de l’univers. Et on trouve bien que l’univers est plat.

Mais insistons encore un peu: l’univers est plat dans le sens de notre définition de la platitude. De façon amusante, l’univers pourrait être ainsi un cylindre (et oui un cylindre est plat)!

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UN PETIT PEU DE RELATIVITE GENERALE

Nous venons de dire que l’univers était plat. Il est donc temps de se contredire et de préciser que l’univers est plat, mais seulement à une grande échelle.

Lorsque l’on prend une plus petite échelle, notre affirmation n’est en fait plus entièrement vraie.

La relativité générale prédit que les masses et l’énergie vont déformer la structure de l’espace-temps et courber ce dernier localement.

De façon simplifiée, on peut voir l’univers comme une feuille de caoutchouc et tous les objets qui le composent (étoiles, galaxies, planètes, etc.) comme des billes plus ou moins lourdes que l’on poserait sur le caoutchouc. Chaque bille va alors déformer la surface de caoutchouc en fonction de sa densité.

Prenons par exemple une grosse bille de verre et une petit bille de plomb. On peut très bien concevoir que le caoutchouc sera très peu déformé par la première bille et largement déformé par la seconde. Le plomb est en effet beaucoup plus dense que le verre.

Et bien dans la vraie vie (c’est-à-dire la relativité générale), c’est pareil. Plus un objet astrophysique est dense et compact, plus il déforme la surface de l’univers.

Au-delà d’une certaine densité critique, l’objet forme alors ce que l’on appelle un trou noir.

C’est illustré sur la figure à droite, où nous pouvons schématiquement comparer ce qui arrive avec le soleil, avec une très massive et compacte étoile à neutrons, et finalement avec un trou noir (en imaginant que nous avons en fait une singularité et non un puits d’une certaine profondeur finie.

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LE MOUVEMENT DANS L’ESPACE-TEMPS

A présent, je vais tenter d’expliquer pourquoi les trous noirs sont souvent considérés comme des monstres qui mangent tout sur leur passage, lumière inclue. Pour ce faire, il suffit de considérer les mouvements libres d’un objet, à vitesse constante, sur la surface de l’univers déformée localement par les masses et l’énergie qui le composent.

Les objets qui se déplacent librement et à vitesse constante dans l’univers suivent des géodésiques, ou les lignes droites de notre univers.

Cela paraît bête, mais définir une ligne droite sur une surface courbe est parfois ardu.

Si l’on regarde les diverses illustrations ci-dessus, ces géodésiques sont simplement le quadrillage de la surface, un quadrillage qui est déformé par les masses. La notion de ligne droite change donc au voisinage des objets massifs de l’univers.

Par exemple, la courbure auprès d’un trou noir est telle que la ligne droite pointe directement vers son centre, qui se trouve très loin de la surface en raison de la déformation de cette surface par la masse du trou noir.

Ainsi, rien ne peut ressortir d’un trou noir. En fait, suivre la géodésique est possible, mais cela prendrait un temps infini. Même pour la lumière!

On peut donc parler de l’horizon des événements au bord des trous noirs. Si cette frontière est traversée, pouf… L’objet sera absorbé par le trou noir.

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RESUME ET PETITE MISE EN BOUCHE POUR LA SUITE

A la base, j’avais envie de parler du fait que la matière noire pouvait être faite de trous noirs. Mais après avoir défini tous les concepts, il se trouve que le post était déjà kilométrique. Donc j’ai décidé de m’arrêter ici et je continuerai l’article une prochaine fois.

D’un autre côté, je n’ai délibérément traité que d’un tout petit aspect des trous noirs. J’aurais pu parler des équations d’Einstein qui sont centrales en relativité générale et comment les trous noirs y apparaissent naturellement. J’aurais pu aussi parler de leur observation au travers des ondes gravitationnelles (voir par exemple ici en anglais).

Bref, après avoir présenté les trous noirs à partir de l’univers vu comme une feuille de caoutchouc, il reste de nombreux points à discuter. Il y a donc plusieurs options: soit en commentaires (je suis toujours ouvert aux questions), soit dans un prochain article, soit éventuellement ici…

Sur ce, bonne vacances à tous et rendez-vous dans 2-3 semaines sur discord. Je prends une petite pause dès la semaine prochaine.

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