L'hypothèse de l'existence de trous noirs a été avancée pour la première fois par l'astronome anglais J. Michell en 1783 sur la base de la théorie corpusculaire de la lumière et de la théorie newtonienne de la gravité. A cette époque, la théorie ondulatoire de Huygens et son célèbre principe ondulatoire étaient tout simplement oubliés. La théorie des vagues n'a pas été aidée par le soutien de certains vénérables scientifiques, en particulier des célèbres académiciens de Saint-Pétersbourg, M.V. Lomonosov et L. Euler. La logique du raisonnement qui a conduit Michell au concept de trou noir est très simple : si la lumière est constituée de particules-corpuscules de l'éther lumineux, alors ces particules, comme les autres corps, doivent subir l'attraction du champ gravitationnel. Par conséquent, plus l'étoile (ou la planète) est massive, plus l'attraction de son côté vers les corpuscules est grande et plus il est difficile à la lumière de quitter la surface d'un tel corps.
Une autre logique suggère que de telles étoiles massives peuvent exister dans la nature, dont les corpuscules ne peuvent plus vaincre, et qu'elles apparaîtront toujours noires à un observateur extérieur, bien qu'elles puissent elles-mêmes briller d'un éclat éblouissant, comme le Soleil. Physiquement, cela signifie que la deuxième vitesse cosmique à la surface d’une telle étoile ne doit pas être inférieure à la vitesse de la lumière. Les calculs de Michell montrent que la lumière ne quittera jamais une étoile si son rayon à densité solaire moyenne est de 500 solaires. Une telle étoile peut déjà être qualifiée de trou noir.
Après 13 ans, le mathématicien et astronome français P.S. Laplace a probablement exprimé, indépendamment de Michell, une hypothèse similaire sur l'existence de tels objets exotiques. À l'aide d'une méthode de calcul fastidieuse, Laplace a trouvé le rayon d'une sphère pour une densité donnée, à la surface de laquelle la vitesse parabolique est égale à la vitesse de la lumière. Selon Laplace, les corpuscules de lumière, étant des particules gravitationnelles, devraient être retardés par des étoiles massives émettant de la lumière, qui ont une densité égale à celle de la Terre et un rayon 250 fois supérieur à celui du Soleil.
Cette théorie de Laplace n'a été incluse que dans les deux premières éditions de son célèbre livre "Exposition du système du monde", publié en 1796 et 1799. Oui, peut-être même l'astronome autrichien F.K. von Zach s'est intéressé à la théorie de Laplace, en la publiant en 1798 sous le titre « Preuve du théorème selon lequel la force d'attraction d'un corps lourd peut être si grande que la lumière ne peut pas en sortir ».
À ce stade, l’histoire de l’étude des trous noirs s’est arrêtée pendant plus de 100 ans. Il semble que Laplace lui-même ait discrètement abandonné une hypothèse aussi extravagante, puisqu'il l'a exclue de toutes les autres éditions de son livre, parues en 1808, 1813 et 1824. Peut-être Laplace n'a-t-il pas voulu reproduire l'hypothèse presque fantastique des étoiles colossales qui n'émettent plus de lumière. Peut-être a-t-il été arrêté par de nouvelles données astronomiques sur l'invariabilité de l'ampleur de l'aberration de la lumière dans différentes étoiles, qui contredisaient certaines des conclusions de sa théorie sur la base desquelles il fondait ses calculs. Mais la raison la plus probable pour laquelle tout le monde a oublié les mystérieux objets hypothétiques de Michell-Laplace est le triomphe de la théorie ondulatoire de la lumière, dont le cortège triomphal a commencé dès les premières années du XIXe siècle.
Le début de ce triomphe a été posé par la conférence Booker du physicien anglais T. Jung "La théorie de la lumière et de la couleur", publiée en 1801, où Jung a hardiment, contrairement à Newton et à d'autres partisans célèbres de la théorie corpusculaire (dont Laplace) , a décrit l'essence de la théorie ondulatoire de la lumière, affirmant que la lumière émise est constituée de mouvements ondulatoires de l'éther lumineux. Inspiré par la découverte de la polarisation de la lumière, Laplace commença à « sauver » les corpuscules en construisant une théorie de la double réfraction de la lumière dans les cristaux basée sur la double action des molécules cristallines sur les corpuscules lumineux. Mais les travaux ultérieurs des physiciens O.Zh. Fresnel, F.D. Aragon, J. Fraunhofer et d'autres n'ont pas négligé la théorie corpusculaire, dont on se souvient sérieusement seulement un siècle plus tard, après la découverte des quanta. À l’époque, tous les raisonnements sur les trous noirs dans le cadre de la théorie ondulatoire de la lumière semblaient ridicules.
Les trous noirs n'ont pas été immédiatement rappelés après la « réhabilitation » de la théorie corpusculaire de la lumière, lorsqu'on a commencé à en parler à un nouveau niveau qualitatif grâce à l'hypothèse des quanta (1900) et des photons (1905). Les trous noirs n'ont été redécouverts pour la deuxième fois qu'après la création de GR en 1916, lorsque le physicien théoricien et astronome allemand K. Schwarzschild, quelques mois après la publication des équations d'Einstein, les a utilisés pour étudier la structure de l'espace-temps courbe dans le voisinage du Soleil. Il redécouvre ainsi le phénomène des trous noirs, mais à un niveau plus profond.
La dernière découverte théorique des trous noirs a eu lieu en 1939, quand Oppenheimer et Snyder ont réalisé la première solution explicite des équations d'Einstein en décrivant la formation d'un trou noir à partir d'un nuage de poussière qui s'effondre. Le terme « trou noir » lui-même a été introduit pour la première fois dans la science par le physicien américain J. Wheeler en 1968, au cours des années d'un regain d'intérêt rapide pour la relativité générale, la cosmologie et l'astrophysique, provoqué par les réalisations extra-atmosphériques (en particulier , rayons X), l'astronomie, la découverte du rayonnement cosmique de fond micro-ondes, les pulsars et les quasars.
Les trous noirs - peut-être les objets astronomiques les plus mystérieux et énigmatiques de notre Univers, ont attiré l'attention des experts et excitent l'imagination des écrivains de science-fiction depuis leur découverte. Que sont les trous noirs et à quoi ressemblent-ils ? Les trous noirs sont des étoiles éteintes, en raison de leurs caractéristiques physiques, qui ont une densité si élevée et une gravité si puissante que même la lumière ne peut pas s'en échapper.
L'histoire de la découverte des trous noirs
Pour la première fois, l'existence théorique des trous noirs, bien avant leur découverte réelle, a été suggérée par quelqu'un D. Michel (un prêtre anglais du Yorkshire, passionné d'astronomie à ses loisirs) en 1783. Selon ses calculs, si nous prenons le nôtre et le compressons (en termes informatiques modernes, l'archivons) dans un rayon de 3 km, une force gravitationnelle si importante (tout simplement énorme) se forme que même la lumière ne peut pas la quitter. C'est ainsi qu'est apparu le concept de « trou noir », même si en fait il n'est pas noir du tout, à notre avis, le terme « trou noir » serait plus approprié, car c'est précisément l'absence de lumière qui se produit.
Plus tard, en 1918, le grand scientifique Albert Einstein écrivit sur la question des trous noirs dans son contexte. Mais ce n’est qu’en 1967, grâce aux efforts de l’astrophysicien américain John Wheeler, que le concept de trous noirs a finalement gagné une place dans les cercles universitaires.
Quoi qu'il en soit, D. Michel, Albert Einstein et John Wheeler dans leurs travaux n'ont supposé que l'existence théorique de ces mystérieux objets célestes dans l'espace, cependant, la véritable découverte des trous noirs a eu lieu en 1971, c'était puis qu'ils ont été remarqués pour la première fois dans l'espace.
Voilà à quoi ressemble un trou noir.
Comment se forment les trous noirs dans l’espace ?
Comme nous le savons grâce à l’astrophysique, toutes les étoiles (y compris notre Soleil) disposent d’une quantité limitée de carburant. Et bien que la vie d'une étoile puisse durer des milliards d'années, tôt ou tard cet approvisionnement conditionnel en carburant prend fin et l'étoile « s'éteint ». Le processus « d'extinction » d'une étoile s'accompagne de réactions intenses, au cours desquelles l'étoile subit une transformation importante et, selon sa taille, peut se transformer en naine blanche, en étoile à neutrons ou en trou noir. De plus, les plus grandes étoiles, qui ont des dimensions incroyablement impressionnantes, se transforment généralement en trou noir - en raison de la compression de ces tailles les plus incroyables, la masse et la force gravitationnelle du trou noir nouvellement formé se multiplient, ce qui se transforme en une sorte de vide galactique. plus propre - absorbe tout et tout ce qui l'entoure.
Un trou noir engloutit une étoile.
Une petite remarque - notre Soleil, selon les normes galactiques, n'est pas du tout une grande étoile, et après sa disparition, qui se produira dans environ quelques milliards d'années, il ne se transformera probablement pas en trou noir.
Mais soyons honnêtes avec vous : aujourd'hui, les scientifiques ne connaissent toujours pas toutes les subtilités de la formation d'un trou noir. Il s'agit sans aucun doute d'un processus astrophysique extrêmement complexe, qui peut lui-même durer des millions d'années. Bien qu'il soit possible d'avancer dans cette direction, la détection et l'étude ultérieure des trous noirs dits intermédiaires, c'est-à-dire des étoiles en état d'extinction, dans lesquelles se déroule le processus actif de formation d'un trou noir. . À propos, une étoile similaire a été découverte par des astronomes en 2014 dans le bras d'une galaxie spirale.
Combien de trous noirs existe-t-il dans l'univers
Selon les théories des scientifiques modernes, il pourrait y avoir jusqu'à des centaines de millions de trous noirs dans notre galaxie, la Voie lactée. Il ne peut y en avoir moins dans la galaxie à côté de nous, vers laquelle il n'y a rien à voler depuis notre Voie Lactée - 2,5 millions d'années-lumière.
Théorie des trous noirs
Malgré leur masse énorme (des centaines de milliers de fois supérieure à la masse de notre Soleil) et l'incroyable force de gravité, il n'était pas facile de voir les trous noirs à travers un télescope, car ils n'émettent pas de lumière du tout. Les scientifiques n'ont réussi à remarquer un trou noir qu'au moment de son "repas" - l'absorption d'une autre étoile, à ce moment un rayonnement caractéristique apparaît, qui peut déjà être observé. Ainsi, la théorie du trou noir a trouvé une véritable confirmation.
Propriétés des trous noirs
La principale propriété d'un trou noir réside dans ses incroyables champs gravitationnels, qui ne permettent pas à l'espace et au temps environnants de rester dans leur état habituel. Oui, vous avez bien entendu, le temps à l'intérieur d'un trou noir s'écoule plusieurs fois plus lentement que d'habitude, et si vous y étiez, en revenant (si vous aviez autant de chance, bien sûr), vous seriez surpris de remarquer que des siècles se sont écoulés sur Terre, et tu n'auras même pas le temps de vieillir. Même si, soyons honnêtes, si vous étiez à l'intérieur d'un trou noir, vous auriez à peine survécu, car la force gravitationnelle y est telle que tout objet matériel serait simplement déchiré, même en plusieurs parties, en atomes.
Mais si vous étiez même proche d'un trou noir, dans la portée de son champ gravitationnel, alors vous auriez également du mal, car plus vous résistiez à sa gravité, en essayant de vous envoler, plus vite vous y tomberiez. La raison de ce paradoxe apparent est le champ de vortex gravitationnel que possèdent tous les trous noirs.
Et si une personne tombait dans un trou noir
Évaporation des trous noirs
L'astronome anglais S. Hawking a découvert un fait intéressant : il s'avère que les trous noirs émettent également. Certes, cela ne s'applique qu'aux trous de masse relativement faible. La puissante gravité qui les entoure crée des paires de particules et d'antiparticules, l'une des paires est tirée vers l'intérieur par le trou et la seconde est éjectée vers l'extérieur. Ainsi, un trou noir émet des antiparticules dures et des rayons gamma. Cette évaporation ou rayonnement d'un trou noir doit son nom au scientifique qui l'a découvert : « rayonnement de Hawking ».
Le plus grand trou noir
Selon la théorie des trous noirs, au centre de presque toutes les galaxies se trouvent d'énormes trous noirs dont la masse varie de plusieurs millions à plusieurs milliards de masses solaires. Et relativement récemment, les scientifiques ont découvert les deux plus grands trous noirs connus à ce jour, ils se trouvent dans deux galaxies proches : NGC 3842 et NGC 4849.
NGC 3842 est la galaxie la plus brillante de la constellation du Lion, située à 320 millions d'années-lumière de nous. Au centre se trouve un immense trou noir d’une masse de 9,7 milliards de masses solaires.
NGC 4849 est une galaxie de l'amas de Coma, située à 335 millions d'années-lumière, dotée d'un trou noir tout aussi impressionnant.
Les zones d'action du champ gravitationnel de ces trous noirs géants, ou en termes académiques, leur horizon des événements, sont environ 5 fois la distance du Soleil à ! Un tel trou noir dévorerait notre système solaire sans même l’étouffer.
Le plus petit trou noir
Mais il existe de très petits représentants dans la vaste famille des trous noirs. Ainsi, le trou noir le plus nain découvert par les scientifiques à l'heure actuelle ne représente que 3 fois la masse de notre Soleil. En fait, c’est le minimum théorique nécessaire à la formation d’un trou noir ; si cette étoile était un peu plus petite, le trou ne se serait pas formé.
Les trous noirs sont des cannibales
Oui, il existe un tel phénomène, comme nous l'avons écrit plus haut, les trous noirs sont des sortes d'"aspirateurs galactiques" qui absorbent tout ce qui les entoure, y compris... les autres trous noirs. Récemment, des astronomes ont découvert qu’un trou noir d’une galaxie était en train d’être mangé par un autre grand glouton noir d’une autre galaxie.
- Selon les hypothèses de certains scientifiques, les trous noirs ne sont pas seulement des aspirateurs galactiques qui aspirent tout en eux-mêmes, mais, dans certaines circonstances, ils peuvent eux-mêmes générer de nouveaux univers.
- Les trous noirs peuvent s’évaporer avec le temps. Nous avons écrit ci-dessus que le scientifique anglais Stephen Hawking a découvert que les trous noirs ont la propriété de émettre des radiations et qu'après une très longue période de temps, lorsqu'il n'y a rien à absorber autour, le trou noir commencera à s'évaporer davantage, jusqu'à ce que finalement il cède toute sa masse dans l'espace environnant. Bien que ce ne soit qu’une hypothèse, une hypothèse.
- Les trous noirs ralentissent le temps et courbent l’espace. Nous avons déjà parlé de la dilatation du temps, mais l'espace dans les conditions d'un trou noir sera complètement courbé.
- Les trous noirs limitent le nombre d'étoiles dans l'univers. À savoir, leurs champs gravitationnels empêchent le refroidissement des nuages de gaz dans l’espace, à partir desquels, comme vous le savez, naissent de nouvelles étoiles.
Trous noirs sur Discovery Channel, vidéo
Et en conclusion, nous vous proposons un documentaire scientifique intéressant sur les trous noirs de la chaîne Discovery.
Lors de la rédaction de l'article, j'ai essayé de le rendre aussi intéressant, utile et de haute qualité que possible. Je serais reconnaissant pour tout retour et critique constructive sous forme de commentaires sur l'article. Vous pouvez également écrire votre souhait/question/suggestion sur mon mail [email protégé] ou sur Facebook, avec respect, l'auteur.
Trous noirs, matière noire, matière noire… Ce sont sans doute les objets les plus étranges et mystérieux de l’espace. Leurs propriétés étranges peuvent défier les lois de la physique de l’univers et même la nature de la réalité existante. Pour comprendre ce que sont les trous noirs, les scientifiques proposent de « changer de repère », d'apprendre à sortir des sentiers battus et de faire preuve d'un peu d'imagination. Les trous noirs sont formés à partir du noyau d’étoiles super massives, qui peuvent être décrites comme une région de l’espace où une énorme masse est concentrée dans le vide, et où rien, pas même la lumière, ne peut échapper à l’attraction gravitationnelle. C’est la zone où la deuxième vitesse spatiale dépasse la vitesse de la lumière : et plus l’objet en mouvement est massif, plus il doit se déplacer rapidement pour se débarrasser de sa gravité. C'est ce qu'on appelle la deuxième vitesse de fuite.
L'Encyclopédie Collier appelle un trou noir une région de l'espace résultant d'un effondrement gravitationnel complet de la matière, dans laquelle l'attraction gravitationnelle est si forte que ni la matière, ni la lumière, ni d'autres supports d'information ne peuvent en sortir. Par conséquent, l’intérieur d’un trou noir n’a aucun rapport causal avec le reste de l’univers ; Les processus physiques se produisant à l’intérieur d’un trou noir ne peuvent pas affecter les processus extérieurs. Un trou noir est entouré d'une surface ayant la propriété d'une membrane unidirectionnelle : la matière et les radiations tombent librement à travers elle dans le trou noir, mais rien ne peut en échapper. Cette surface est appelée « l’horizon des événements ».
Historique de la découverte
Les trous noirs, prédits par la théorie de la relativité générale (la théorie de la gravité proposée par Einstein en 1915) et d'autres théories plus modernes de la gravité, ont été mathématiquement justifiés par R. Oppenheimer et H. Snyder en 1939. Mais les propriétés de l'espace et du temps à proximité de ces objets s'est avéré si inhabituel que les astronomes et les physiciens ne les ont pas pris au sérieux pendant 25 ans. Cependant, les découvertes astronomiques du milieu des années 1960 nous ont obligés à considérer les trous noirs comme une réalité physique possible. De nouvelles découvertes et études peuvent changer fondamentalement notre compréhension de l’espace et du temps, mettant en lumière des milliards de mystères cosmiques.
Formation de trous noirs
Bien que les réactions thermonucléaires se produisent à l’intérieur de l’étoile, elles maintiennent une température et une pression élevées, empêchant ainsi l’étoile de s’effondrer sous l’influence de sa propre gravité. Cependant, avec le temps, le combustible nucléaire s'épuise et l'étoile commence à rétrécir. Les calculs montrent que si la masse d'une étoile ne dépasse pas trois masses solaires, alors elle gagnera la « bataille contre la gravité » : son effondrement gravitationnel sera stoppé par la pression de la matière « dégénérée », et l'étoile se transformera à jamais en un naine blanche ou étoile à neutrons. Mais si la masse d’une étoile est supérieure à trois solaires, alors rien ne peut empêcher son effondrement catastrophique et elle passera rapidement sous l’horizon des événements, devenant un trou noir.
Un trou noir est-il un trou de beignet ?
Tout ce qui n’émet pas de lumière est difficile à voir. Une façon de rechercher un trou noir consiste à rechercher des zones dans l’espace qui ont une masse importante et se trouvent dans un espace sombre. En recherchant ce type d’objets, les astronomes les ont trouvés dans deux zones principales : au centre des galaxies et dans les systèmes d’étoiles binaires de notre Galaxie. Au total, comme le suggèrent les scientifiques, il existe des dizaines de millions de ces objets.
Le concept de trou noir est connu de tous - des écoliers aux personnes âgées, il est utilisé dans la littérature scientifique et fictionnelle, dans les médias jaunes et lors de conférences scientifiques. Mais tout le monde ne sait pas exactement ce que sont ces trous.
De l'histoire des trous noirs
1783 La première hypothèse de l'existence d'un phénomène tel qu'un trou noir a été avancée en 1783 par le scientifique anglais John Michell. Dans sa théorie, il combinait deux créations de Newton : l'optique et la mécanique. L'idée de Michell était la suivante : si la lumière est un flux de minuscules particules, alors, comme tous les autres corps, les particules devraient subir l'attraction d'un champ gravitationnel. Il s’avère que plus l’étoile est massive, plus il est difficile à la lumière de résister à son attraction. Treize ans après Michell, l'astronome et mathématicien français Laplace a avancé (très probablement indépendamment de son homologue britannique) une théorie similaire.
1915 Cependant, toutes leurs œuvres sont restées non réclamées jusqu'au début du XXe siècle. En 1915, Albert Einstein publia la Théorie générale de la relativité et montra que la gravité est une courbure de l'espace-temps causée par la matière. Quelques mois plus tard, l'astronome et physicien théoricien allemand Karl Schwarzschild l'utilisa pour résoudre un problème astronomique spécifique. Il explore la structure de l’espace-temps courbe autour du Soleil et redécouvre le phénomène des trous noirs.
(John Wheeler a inventé le terme « trous noirs »)
1967 Le physicien américain John Wheeler a décrit un espace qui peut être froissé, comme un morceau de papier, en un point infinitésimal et a désigné le terme « Trou noir ».
1974 Le physicien britannique Stephen Hawking a prouvé que les trous noirs, même s'ils avalent de la matière sans retour, peuvent émettre des radiations et éventuellement s'évaporer. Ce phénomène est appelé « rayonnement Hawking ».
2013 Les dernières recherches sur les pulsars et les quasars, ainsi que la découverte du rayonnement cosmique de fond micro-onde, ont enfin permis de décrire le concept même de trou noir. En 2013, le nuage de gaz G2 s'est approché très près du trou noir et sera probablement absorbé par celui-ci, l'observation de ce processus unique offrant de grandes opportunités pour de nouvelles découvertes des caractéristiques des trous noirs.
(Objet massif Sagittaire A*, sa masse est 4 millions de fois supérieure à celle du Soleil, ce qui implique un amas d'étoiles et la formation d'un trou noir)
2017. Un groupe de scientifiques de la collaboration Event Horizon Telescope de plusieurs pays, reliant huit télescopes de différents points des continents terrestres, a effectué des observations d'un trou noir, qui est un objet supermassif situé dans la galaxie M87, la constellation de la Vierge. La masse de l'objet est de 6,5 milliards (!) de masses solaires, soit des fois gigantesques plus grandes que l'objet massif Sagittaire A*, à titre de comparaison, le diamètre est légèrement inférieur à la distance du Soleil à Pluton.
Les observations ont été réalisées en plusieurs étapes, à partir du printemps 2017 et au cours des périodes 2018. La quantité d'informations était calculée en pétaoctets, qu'il fallait ensuite déchiffrer et obtenir une véritable image d'un objet ultra-distant. Par conséquent, il a fallu encore deux années entières pour pré-analyser toutes les données et les combiner en un tout.
2019 Les données ont été décodées et mises en évidence avec succès, produisant la toute première image d’un trou noir.
(La toute première image d'un trou noir dans la galaxie M87 dans la constellation de la Vierge)
La résolution de l'image permet de voir l'ombre du point de non-retour au centre de l'objet. L'image a été obtenue à la suite d'observations interférométriques avec une ligne de base extra longue. Il s'agit des observations dites synchrones d'un objet à partir de plusieurs radiotélescopes interconnectés par un réseau et situés dans différentes parties du globe, orientés dans une direction.
Que sont réellement les trous noirs ?
Une explication laconique du phénomène ressemble à ceci.
Un trou noir est une région spatio-temporelle dont l’attraction gravitationnelle est si forte qu’aucun objet, y compris les quanta de lumière, ne peut en sortir.
Un trou noir était autrefois une étoile massive. Tant que les réactions thermonucléaires maintiennent une pression élevée dans ses intestins, tout reste normal. Mais avec le temps, l'approvisionnement en énergie s'épuise et le corps céleste, sous l'influence de sa propre gravité, commence à rétrécir. La dernière étape de ce processus est l’effondrement du noyau stellaire et la formation d’un trou noir.
- 1. Éjection d’un jet de trou noir à grande vitesse
- 2. Un disque de matière se transforme en trou noir
- 3. Trou noir
- 4. Schéma détaillé de la région du trou noir
- 5. Taille des nouvelles observations trouvées
La théorie la plus répandue dit qu’il existe des phénomènes similaires dans toutes les galaxies, y compris au centre de notre Voie Lactée. L'énorme gravité du trou est capable de retenir plusieurs galaxies autour de lui, les empêchant de s'éloigner les unes des autres. La "zone de couverture" peut être différente, tout dépend de la masse de l'étoile qui s'est transformée en trou noir, et peut atteindre des milliers d'années-lumière.
Rayon Schwarzschild
La principale propriété d’un trou noir est que toute matière qui y pénètre ne peut jamais y revenir. La même chose s'applique à la lumière. À la base, les trous sont des corps qui absorbent complètement toute la lumière qui leur tombe dessus et n'émettent pas la leur. De tels objets peuvent apparaître visuellement comme des caillots d’obscurité absolue.
- 1. Déplacer la matière à la moitié de la vitesse de la lumière
- 2. Anneau photonique
- 3. Anneau photonique intérieur
- 4. L'horizon des événements dans un trou noir
Selon la théorie de la relativité générale d'Einstein, si un corps s'approche d'une distance critique du centre du trou, il ne peut plus revenir. Cette distance est appelée rayon de Schwarzschild. Ce qui se passe exactement dans ce rayon n’est pas connu avec certitude, mais il existe la théorie la plus courante. On pense que toute la matière d'un trou noir est concentrée en un point infiniment petit et qu'en son centre se trouve un objet d'une densité infinie, que les scientifiques appellent une perturbation singulière.
Comment tombe-t-il dans un trou noir
(Sur la photo, le trou noir du Sagittaire A* ressemble à un amas de lumière extrêmement brillant)
Il n'y a pas si longtemps, en 2011, des scientifiques ont découvert un nuage de gaz, lui donnant le simple nom de G2, qui émet une lumière inhabituelle. Une telle lueur peut donner une friction dans les gaz et les poussières, provoquée par l'action du trou noir Sagittaire A* et qui tourne autour de lui sous la forme d'un disque d'accrétion. Ainsi, nous devenons observateurs de l’étonnant phénomène d’absorption d’un nuage de gaz par un trou noir supermassif.
Selon des études récentes, l’approche la plus proche d’un trou noir aura lieu en mars 2014. Nous pouvons recréer une image de la façon dont ce spectacle passionnant se déroulera.
- 1. Lorsqu’il apparaît pour la première fois dans les données, un nuage de gaz ressemble à une énorme boule de gaz et de poussière.
- 2. Aujourd’hui, en juin 2013, le nuage se trouve à des dizaines de milliards de kilomètres du trou noir. Il y tombe à une vitesse de 2500 km/s.
- 3. Le nuage devrait dépasser le trou noir, mais les forces de marée causées par la différence d'attraction agissant sur les bords d'attaque et de fuite du nuage le feront s'allonger de plus en plus.
- 4. Une fois le nuage brisé, la majeure partie de celui-ci fusionnera très probablement dans le disque d'accrétion autour de Sagittaire A*, générant des ondes de choc. La température va monter jusqu'à plusieurs millions de degrés.
- 5. Une partie du nuage tombera directement dans le trou noir. Personne ne sait exactement ce qui arrivera à cette substance, mais on s'attend à ce qu'en tombant, elle émette de puissants flux de rayons X, et personne d'autre ne la verra.
Vidéo : un trou noir avale un nuage de gaz
(Simulation informatique de la quantité de nuage de gaz G2 qui sera détruite et consommée par le trou noir Sagittarius A*)
Qu'y a-t-il à l'intérieur d'un trou noir
Il existe une théorie selon laquelle un trou noir à l'intérieur est pratiquement vide et que toute sa masse est concentrée dans un point incroyablement petit situé en son centre même - une singularité.
Selon une autre théorie qui existe depuis un demi-siècle, tout ce qui tombe dans un trou noir va dans un autre univers situé dans le trou noir lui-même. Or, cette théorie n’est pas la principale.
Et il existe une troisième théorie, la plus moderne et la plus tenace, selon laquelle tout ce qui tombe dans un trou noir se dissout dans les vibrations des cordes à sa surface, désignée comme l'horizon des événements.
Alors, quel est l’horizon des événements ? Il est impossible de regarder à l’intérieur d’un trou noir, même avec un télescope super puissant, car même la lumière, pénétrant à l’intérieur d’un entonnoir cosmique géant, n’a aucune chance d’en ressortir. Tout ce qui peut être considéré d’une manière ou d’une autre se trouve à proximité immédiate.
L'horizon des événements est une ligne conditionnelle de la surface sous laquelle rien (ni gaz, ni poussière, ni étoiles, ni lumière) ne peut s'échapper. Et c’est le très mystérieux point de non-retour dans les trous noirs de l’Univers.
La pensée scientifique construit parfois des objets aux propriétés si paradoxales que même les scientifiques les plus avisés refusent au début de les reconnaître. L’exemple le plus évident dans l’histoire de la physique moderne est le manque d’intérêt à long terme pour les trous noirs, états extrêmes du champ gravitationnel prédits il y a près de 90 ans. Pendant longtemps, ils ont été considérés comme une abstraction purement théorique, et ce n’est que dans les années 1960 et 1970 qu’ils ont cru à leur réalité. Cependant, l’équation de base de la théorie des trous noirs a été dérivée il y a plus de deux cents ans.
Le point de vue de John Michell
Le nom de John Michell, physicien, astronome et géologue, professeur à l'Université de Cambridge et pasteur de l'Église anglicane, a été perdu de manière totalement injuste parmi les stars de la science anglaise du XVIIIe siècle. Michell a posé les bases de la sismologie, la science des tremblements de terre, a réalisé une excellente étude du magnétisme et bien avant que Coulomb n'invente la balance de torsion qu'il utilisait pour les mesures gravimétriques. En 1783, il tente de combiner les deux grandes créations de Newton, la mécanique et l'optique. Newton considérait la lumière comme un flux de minuscules particules. Michell a suggéré que les corpuscules légers, comme la matière ordinaire, obéissent aux lois de la mécanique. La conséquence de cette hypothèse s'est avérée très non triviale : les corps célestes peuvent se transformer en pièges à lumière.
Comment Michell a-t-il pensé ? Un boulet de canon tiré depuis la surface d'une planète ne surmontera complètement sa gravité que si sa vitesse initiale dépasse ce que l'on appelle maintenant la seconde vitesse spatiale et la vitesse de fuite. Si la gravité de la planète est si forte que la vitesse de fuite dépasse la vitesse de la lumière, les corpuscules lumineux tirés au zénith ne peuvent pas s'échapper vers l'infini. La même chose se produira avec la lumière réfléchie. Ainsi, pour un observateur très éloigné, la planète sera invisible. Michell a calculé la valeur critique du rayon d'une telle planète, Rcr, en fonction de sa masse, M, ramenée à la masse de notre Soleil, Ms : Rcr = 3 km x M/Ms.
John Michell croyait en ses formules et supposait que les profondeurs de l'espace cachent de nombreuses étoiles qui ne peuvent être vues depuis la Terre avec aucun télescope. Plus tard, le grand mathématicien, astronome et physicien français Pierre Simon Laplace est arrivé à la même conclusion et l'a incluse dans la première (1796) et la deuxième (1799) éditions de son Exposition du système du monde. Mais la troisième édition a été publiée en 1808, alors que la plupart des physiciens considéraient déjà la lumière comme des vibrations de l'éther. L'existence d'étoiles « invisibles » contredisait la théorie ondulatoire de la lumière, et Laplace jugea préférable de simplement ne pas les mentionner. Par la suite, cette idée fut considérée comme une curiosité, digne d'être exposée uniquement dans les ouvrages d'histoire de la physique.
Modèle Schwarzschild
En novembre 1915, Albert Einstein publia une théorie de la gravité, qu'il appela théorie de la relativité générale (GR). Cet ouvrage trouva immédiatement un lecteur reconnaissant en la personne de son collègue de l'Académie des sciences de Berlin, Karl Schwarzschild. C'est Schwarzschild qui fut le premier au monde à appliquer la relativité générale pour résoudre un problème astrophysique spécifique, pour calculer la métrique de l'espace-temps à l'extérieur et à l'intérieur d'un corps sphérique non rotatif (pour plus de concret, nous l'appellerons une étoile).
Il résulte des calculs de Schwarzschild que la gravité d'une étoile ne déforme pas grandement la structure newtonienne de l'espace et du temps seulement si son rayon est bien plus grand que la valeur même calculée par John Michell ! Ce paramètre s'appelait à l'origine rayon de Schwarzschild, et s'appelle désormais rayon gravitationnel. Selon la relativité générale, la gravité n'affecte pas la vitesse de la lumière, mais réduit la fréquence des vibrations lumineuses dans la même proportion qu'elle ralentit le temps. Si le rayon d'une étoile est 4 fois supérieur au rayon gravitationnel, alors l'écoulement du temps à sa surface ralentit de 15 % et l'espace acquiert une courbure notable. Avec un double excès, il se plie davantage, et le temps ralentit sa course de 41 %. Lorsque le rayon gravitationnel est atteint, le temps passé à la surface de l'étoile s'arrête complètement (toutes les fréquences sont remises à zéro, le rayonnement est gelé et l'étoile s'éteint), mais la courbure de l'espace y est toujours finie. Loin du soleil, la géométrie reste encore euclidienne, et le temps ne change pas de vitesse.
Malgré le fait que les valeurs du rayon gravitationnel de Michell et Schwarzschild soient les mêmes, les modèles eux-mêmes n'ont rien en commun. Pour Michell, l'espace et le temps ne changent pas, mais la lumière ralentit. Une étoile dont les dimensions sont inférieures à son rayon gravitationnel continue de briller, mais elle n'est visible que par un observateur pas trop éloigné. Pour Schwarzschild, la vitesse de la lumière est absolue, mais la structure de l’espace et du temps dépend de la gravité. Une étoile tombée sous le rayon gravitationnel disparaît pour tout observateur, peu importe où il se trouve (plus précisément, elle peut être détectée par effets gravitationnels, mais en aucun cas par rayonnement).
De l'incrédulité à l'affirmation
Schwarzschild et ses contemporains pensaient que de tels objets cosmiques étranges n'existaient pas dans la nature. Einstein lui-même a non seulement adhéré à ce point de vue, mais a également cru à tort qu'il avait réussi à justifier mathématiquement son opinion.
Dans les années 1930, un jeune astrophysicien indien, Chandrasekhar, a prouvé qu'une étoile qui a épuisé son combustible nucléaire se débarrasse de sa coquille et ne se transforme en une naine blanche qui se refroidit lentement que si sa masse est inférieure à 1,4 masse solaire. Bientôt, l'Américain Fritz Zwicky devina que des corps extrêmement denses de matière neutronique se formaient lors d'explosions de supernova ; Plus tard, Lev Landau est arrivé à la même conclusion. Après les travaux de Chandrasekhar, il était évident que seules les étoiles de masse supérieure à 1,4 masse solaire pouvaient subir une telle évolution. Par conséquent, une question naturelle s'est posée : existe-t-il une limite supérieure de masse pour les supernovae que les étoiles à neutrons laissent derrière elles ?
À la fin des années 1930, le futur père de la bombe atomique américaine, Robert Oppenheimer, établit qu'une telle limite existe bel et bien et ne dépasse pas plusieurs masses solaires. Il n'était alors pas possible de donner une évaluation plus précise ; on sait désormais que la masse des étoiles à neutrons doit être comprise entre 1,5 et 3 M s . Mais même d'après les calculs approximatifs d'Oppenheimer et de son étudiant diplômé George Volkov, il s'ensuit que les descendants les plus massifs des supernovae ne deviennent pas des étoiles à neutrons, mais entrent dans un autre état. En 1939, Oppenheimer et Hartland Snyder ont prouvé dans un modèle idéalisé qu'une étoile massive en train de s'effondrer se contracte jusqu'à son rayon gravitationnel. De leurs formules, en effet, il ressort que la star ne s'arrête pas là, mais les co-auteurs se sont abstenus de tirer une conclusion aussi radicale.
La réponse finale a été trouvée dans la seconde moitié du XXe siècle grâce aux efforts d’une galaxie de brillants physiciens théoriciens, y compris soviétiques. Il s'est avéré qu'un tel effondrement Toujours comprime l'étoile "jusqu'à l'arrêt", détruisant complètement sa substance. En conséquence, une singularité apparaît, un « superconcentré » du champ gravitationnel, enfermé dans un volume infiniment petit. Pour un trou fixe, c'est un point, pour un trou tournant, c'est un anneau. La courbure de l'espace-temps et, par conséquent, la force de gravité à proximité de la singularité tendent vers l'infini. Fin 1967, le physicien américain John Archibald Wheeler fut le premier à qualifier un tel effondrement stellaire final de trou noir. Le nouveau terme est tombé amoureux des physiciens et a ravi les journalistes qui l'ont diffusé dans le monde entier (même si les Français ne l'aimaient pas au début, car l'expression trou noir suggérait des associations douteuses).
Là, au-delà de l'horizon
Un trou noir n’est ni matière ni rayonnement. Avec une certaine figuration, nous pouvons dire qu'il s'agit d'un champ gravitationnel autonome, concentré dans une région très courbée de l'espace-temps. Sa limite extérieure est définie par une surface fermée, l'horizon des événements. Si l'étoile n'a pas tourné avant l'effondrement, cette surface s'avère être une sphère régulière dont le rayon coïncide avec le rayon de Schwarzschild.
La signification physique de l'horizon est très claire. Un signal lumineux envoyé depuis son voisinage extérieur peut parcourir une distance infinie. Mais les signaux envoyés depuis la région intérieure, non seulement ne traverseront pas l’horizon, mais « tomberont » inévitablement dans la singularité. L'horizon est la frontière spatiale entre les événements qui peuvent être connus des astronomes terrestres (et autres) et les événements sur lesquels des informations ne seront en aucun cas divulguées.
Comme il se doit "selon Schwarzschild", loin de l'horizon, l'attraction d'un trou est inversement proportionnelle au carré de la distance, donc, pour un observateur éloigné, il se manifeste comme un corps lourd ordinaire. En plus de la masse, le trou hérite du moment d'inertie de l'étoile effondrée et de sa charge électrique. Et toutes les autres caractéristiques de l’étoile prédécesseur (structure, composition, type spectral, etc.) tombent dans l’oubli.
Envoyons une sonde au trou avec une station radio qui envoie un signal une fois par seconde en fonction de l'heure à bord. Pour un observateur éloigné, à mesure que la sonde s'approche de l'horizon, les intervalles de temps entre les signaux augmenteront - en principe indéfiniment. Dès que le navire franchira l'horizon invisible, il deviendra complètement silencieux pour le monde « au-dessus du trou ». Toutefois, cette disparition ne sera pas sans laisser de trace, puisque la sonde va donner au trou sa masse, sa charge et son couple.
rayonnement du trou noir
Tous les modèles précédents étaient construits exclusivement sur la base de la relativité générale. Pourtant, notre monde est régi par les lois de la mécanique quantique, qui n’ignorent pas les trous noirs. Ces lois ne permettent pas de considérer la singularité centrale comme un point mathématique. Dans un contexte quantique, son diamètre est donné par la longueur de Planck-Wheeler, approximativement égale à 10 -33 centimètres. Dans cette région, l’espace ordinaire cesse d’exister. Il est généralement admis que le centre du trou est rempli de diverses structures topologiques qui apparaissent et meurent conformément aux lois probabilistes quantiques. Les propriétés d’un tel quasi-espace bouillonnant, que Wheeler a appelé mousse quantique, sont encore mal comprises.
La présence d’une singularité quantique est directement liée au sort des corps matériels tombant profondément dans un trou noir. À l’approche du centre du trou, tout objet fabriqué à partir de matériaux actuellement connus sera écrasé et déchiré par les forces de marée. Cependant, même si les futurs ingénieurs et technologues créent des sortes d'alliages et de composites ultra-résistants avec des propriétés inouïes aujourd'hui, ils sont tous voués à disparaître de toute façon : après tout, il n'y a ni temps ni espace habituels dans la zone de singularité.
Regardons maintenant l'horizon du trou à travers une lentille de mécanique quantique. L’espace vide – le vide physique – n’est en fait en aucun cas vide. En raison des fluctuations quantiques de divers champs dans le vide, de nombreuses particules virtuelles naissent et meurent continuellement. La gravité près de l’horizon étant très forte, ses fluctuations créent des sursauts gravitationnels extrêmement puissants. Lorsqu'ils sont accélérés dans de tels champs, les « virtuels » nouveau-nés acquièrent une énergie supplémentaire et deviennent parfois des particules normales à longue durée de vie.
Les particules virtuelles naissent toujours par paires qui se déplacent dans des directions opposées (cela est requis par la loi de conservation de la quantité de mouvement). Si une fluctuation gravitationnelle extrait du vide une paire de particules, il peut arriver que l’une d’elles se matérialise à l’extérieur de l’horizon et la seconde (l’antiparticule de la première) à l’intérieur. La particule « interne » tombera dans le trou, mais la particule « externe » pourra s’échapper dans des conditions favorables. De ce fait, le trou se transforme en source de rayonnement et perd donc de l’énergie et donc de la masse. Les trous noirs sont donc fondamentalement instables.
Ce phénomène est appelé effet Hawking, du nom du remarquable physicien théoricien anglais qui l'a découvert au milieu des années 1970. Stephen Hawking, notamment, a prouvé que l'horizon d'un trou noir émet des photons exactement de la même manière qu'un corps absolument noir chauffé à une température T = 0,5 x 10 -7 x M s /M. Il s'ensuit qu'à mesure que le trou devient plus mince, sa température augmente et "l'évaporation", bien sûr, augmente. Ce processus est extrêmement lent et la durée de vie d'un trou de masse M est d'environ 10 65 x (M/M s) 3 ans. Lorsque sa taille devient égale à la longueur de Planck-Wheeler, le trou perd sa stabilité et explose, libérant la même énergie que l'explosion simultanée d'un million de bombes à hydrogène de dix mégatonnes. Curieusement, la masse du trou au moment de sa disparition est encore assez importante, 22 microgrammes. Selon certains modèles, le trou ne disparaît pas sans laisser de trace, mais laisse derrière lui une relique stable de même masse, appelée maximon.
Maximon est né il y a 40 ans - en tant que terme et en tant qu'idée physique. En 1965, l'académicien M. A. Markov a suggéré qu'il existe une limite supérieure à la masse des particules élémentaires. Il a proposé de considérer cette valeur limite comme la dimension de la masse, qui peut être combinée à partir de trois constantes physiques fondamentales - la constante de Planck h, la vitesse de la lumière C et la constante gravitationnelle G (pour les amateurs de détails : pour ce faire, il faut pour multiplier h et C, divisez le résultat par G et extrayez la racine carrée). Ce sont les mêmes 22 microgrammes qui sont mentionnés dans l'article, cette valeur est appelée masse de Planck. A partir des mêmes constantes il est possible de construire une valeur avec la dimension de longueur (on sortira la longueur de Planck-Wheeler, 10 -33 cm) et avec la dimension de temps (10 -43 sec).
Markov est allé plus loin dans son raisonnement. Selon son hypothèse, l'évaporation d'un trou noir conduit à la formation d'un « résidu sec » - un maximon. Markov a appelé de telles structures des trous noirs élémentaires. La question de savoir dans quelle mesure cette théorie correspond à la réalité reste ouverte. Quoi qu’il en soit, des analogues des maximons de Markov ont été réactivés dans certains modèles de trous noirs basés sur la théorie des supercordes.
Profondeurs de l'espace
Les trous noirs ne sont pas interdits par les lois de la physique, mais existent-ils dans la nature ? Des preuves absolument strictes de la présence dans l'espace d'au moins un de ces objets n'ont pas encore été trouvées. Cependant, il est fort probable que dans certains systèmes binaires les sources de rayons X soient des trous noirs d'origine stellaire. Ce rayonnement devrait résulter de l'aspiration de l'atmosphère d'une étoile ordinaire par le champ gravitationnel d'un trou voisin. Le gaz, lors de son mouvement vers l'horizon des événements, est fortement chauffé et émet des quanta de rayons X. Au moins deux douzaines de sources de rayons X sont désormais considérées comme des candidats appropriés pour jouer le rôle de trous noirs. De plus, les statistiques stellaires suggèrent qu’il existe environ dix millions de trous d’origine stellaire rien que dans notre Galaxie.
Les trous noirs peuvent également se former lors du processus de condensation gravitationnelle de la matière dans les noyaux galactiques. C'est ainsi que naissent de gigantesques trous d'une masse de millions et de milliards de masses solaires, que l'on retrouve selon toute vraisemblance dans de nombreuses galaxies. Apparemment, au centre de la Voie Lactée, recouvert de nuages de poussière, se trouve un trou d'une masse de 3 à 4 millions de masses solaires.
Stephen Hawking est arrivé à la conclusion que des trous noirs de masse arbitraire pourraient naître immédiatement après le Big Bang, qui a donné naissance à notre Univers. Des trous primaires pesant jusqu'à un milliard de tonnes se sont déjà évaporés, mais des trous plus lourds peuvent encore se cacher dans les profondeurs de l'espace et, le moment venu, déclencher un feu d'artifice cosmique sous la forme de puissants éclairs de rayonnement gamma. Cependant, de telles explosions n’ont jamais été observées jusqu’à présent.
usine de trous noirs
Est-il possible d’accélérer les particules dans l’accélérateur jusqu’à une énergie si élevée que leur collision donnerait naissance à un trou noir ? À première vue, cette idée est tout simplement folle : l'explosion d'un trou détruira toute vie sur Terre. De plus, c’est techniquement irréalisable. Si la masse minimale d'un trou est effectivement de 22 microgrammes, alors en unités d'énergie, elle est de 10 à 28 électrons-volts. Ce seuil est 15 ordres de grandeur supérieur à la capacité de l'accélérateur le plus puissant du monde, le Grand collisionneur de hadrons (LHC), qui sera lancé au CERN en 2007.
Il est cependant possible que l’estimation standard de la masse minimale d’un trou soit considérablement surestimée. C’est en tout cas ce que disent les physiciens qui développent la théorie des supercordes, qui inclut la théorie quantique de la gravité (bien que loin d’être complète). Selon cette théorie, l’espace n’a pas moins de trois dimensions, mais au moins neuf. Nous ne remarquons pas les dimensions supplémentaires car elles sont bouclées à une échelle si petite que nos instruments ne les perçoivent pas. Or la gravité est omniprésente, elle pénètre dans des dimensions cachées. En trois dimensions, la force de gravité est inversement proportionnelle au carré de la distance, et en neuf dimensions, c'est la huitième puissance. Par conséquent, dans un monde multidimensionnel, l’intensité du champ gravitationnel augmente beaucoup plus rapidement avec la distance que dans un monde tridimensionnel. Dans ce cas, la longueur de Planck augmente plusieurs fois et la masse minimale du trou diminue fortement.
La théorie des cordes prédit qu'un trou noir d'une masse de seulement 10 à 20 g peut naître dans un espace à neuf dimensions. La masse relativiste calculée des protons accélérés dans le superaccélérateur de Zern est à peu près la même. Selon le scénario le plus optimiste, il sera capable de produire un trou par seconde, qui durera environ 10 à 26 secondes. Au cours de son évaporation, toutes sortes de particules élémentaires naîtront, qui seront faciles à enregistrer. La disparition du trou entraînera la libération d'énergie, qui ne suffit même pas à chauffer un microgramme d'eau par millième de degré. On peut donc espérer que le LHC se transformera en une usine de trous noirs inoffensifs. Si ces modèles sont corrects, alors les détecteurs orbitaux de rayons cosmiques de nouvelle génération seront également capables de détecter de tels trous.
Tout ce qui précède s’applique aux trous noirs stationnaires. Pendant ce temps, il existe des trous rotatifs qui possèdent de nombreuses propriétés intéressantes. Les résultats de l’analyse théorique du rayonnement des trous noirs ont également conduit à repenser sérieusement le concept d’entropie, qui mérite également une discussion distincte. Nous en reparlerons dans le prochain numéro.