Les trous noirs sont peut-être les objets les plus mystérieux de l'univers. À moins, bien sûr, que des choses ne soient cachées quelque part dans les profondeurs, dont nous ne connaissons pas et ne pouvons pas connaître l'existence, ce qui est peu probable. Les trous noirs ont une masse et une densité colossales, compressées en un seul point d'un petit rayon. Les propriétés physiques de ces objets sont si étranges qu'elles déroutent les physiciens et astrophysiciens les plus sophistiqués. Sabine Hossfender, physicienne théorique, a compilé une sélection de dix faits sur les trous noirs que tout le monde devrait connaître.
Qu'est-ce qu'un trou noir?
La propriété déterminante d'un trou noir est son horizon. C'est une frontière au-delà de laquelle rien, pas même la lumière, ne peut revenir. Si une zone détachée se détache à jamais, on parle d'un «horizon d'événement». S'il n'est que temporairement séparé, on parle d '«horizon visible». Mais ce «temporaire» pourrait aussi signifier que la région sera séparée beaucoup plus longtemps que l'âge actuel de l'univers. Si l'horizon du trou noir est temporaire mais de longue durée, la différence entre le premier et le second est floue.
Quelle est la taille des trous noirs?
Vous pouvez imaginer l'horizon d'un trou noir comme une sphère, et son diamètre sera directement proportionnel à la masse du trou noir. Par conséquent, plus la masse tombe dans le trou noir, plus le trou noir devient grand. Par rapport aux objets stellaires, cependant, les trous noirs sont minuscules, car la masse est comprimée en très petits volumes sous l'influence d'une pression gravitationnelle irrésistible. Le rayon d'un trou noir avec une masse de planète Terre, par exemple, n'est que de quelques millimètres. C'est 10 000 000 000 de fois moins que le rayon actuel de la Terre.
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Le rayon du trou noir est appelé le rayon de Schwarzschild d'après Karl Schwarzschild, qui a d'abord déduit les trous noirs comme une solution à la théorie générale de la relativité d'Einstein.
Que se passe-t-il à l'horizon?
Lorsque vous traversez l'horizon, rien de spécial ne se passe autour de vous. Tout cela à cause du principe d'équivalence d'Einstein, dont il résulte que vous ne pouvez pas trouver la différence entre l'accélération dans l'espace plat et le champ gravitationnel qui crée la courbure de l'espace. Cependant, un observateur loin du trou noir qui regarde quelqu'un d'autre y tomber remarquera que la personne se déplacera de plus en plus lentement à l'approche de l'horizon. C'est comme si le temps se déplaçait plus lentement près de l'horizon des événements qu'il ne le faisait loin de l'horizon. Cependant, un certain temps passera et l'observateur tombant dans le trou traversera l'horizon des événements et se retrouvera à l'intérieur du rayon de Schwarzschild.
Ce que vous ressentez à l'horizon dépend des forces de marée du champ gravitationnel. Les forces de marée à l'horizon sont inversement proportionnelles au carré de la masse du trou noir. Cela signifie que plus le trou noir est grand et massif, moins il y a de force. Et si seul le trou noir est suffisamment massif, vous pouvez traverser l'horizon avant même de remarquer que quelque chose se passe. L'effet de ces forces de marée vous étendra: le terme technique utilisé par les physiciens pour cela est la spaghettification.
Aux débuts de la relativité générale, on croyait qu'une singularité se profilait à l'horizon, mais ce n'est pas le cas.
Qu'y a-t-il à l'intérieur d'un trou noir?
Personne ne sait avec certitude, mais certainement pas la bibliothèque. La relativité générale prédit que dans un trou noir il y a une singularité, un endroit où les forces de marée deviennent infiniment grandes, et une fois que vous passez l'horizon des événements, vous ne pouvez aller nulle part ailleurs que dans la singularité. En conséquence, il vaut mieux ne pas utiliser la relativité générale dans ces endroits - cela ne fonctionne tout simplement pas. Pour dire ce qui se passe à l'intérieur d'un trou noir, nous avons besoin d'une théorie de la gravité quantique. Il est généralement admis que cette théorie remplacera la singularité par autre chose.
Comment se forment les trous noirs?
Nous connaissons actuellement quatre formes différentes de formation des trous noirs. La meilleure compréhension est associée à l'effondrement stellaire. Une étoile assez grande forme un trou noir après l'arrêt de sa fusion nucléaire, car tout ce qui pouvait déjà être synthétisé a été synthétisé. Lorsque la pression créée par la fusion cesse, la matière commence à tomber vers son propre centre gravitationnel, devenant de plus en plus dense. Au final, il devient si dense que rien ne peut vaincre l'effet gravitationnel à la surface de l'étoile: c'est ainsi qu'un trou noir est né. Ces trous noirs sont appelés «trous noirs de masse solaire» et sont les plus courants.
Le prochain type commun de trou noir est le "trou noir supermassif", qui peut être trouvé au centre de nombreuses galaxies et qui ont des masses environ un milliard de fois celles des trous noirs solaires. On ne sait pas encore exactement comment ils se forment. On pense qu'ils ont jadis commencé comme des trous noirs de masse solaire qui ont consommé de nombreuses autres étoiles dans des centres galactiques densément peuplés et se sont développés. Cependant, ils semblent absorber la matière plus rapidement que cette simple idée ne le suggère, et la façon dont ils le font est encore un sujet de recherche.
Une idée plus controversée était celle des trous noirs primordiaux, qui auraient pu être formés par presque n'importe quelle masse lors de grandes fluctuations de densité dans l'univers primitif. Bien que cela soit possible, il est difficile de trouver un modèle qui les produise sans les sur-créer.
Enfin, il y a l'idée très spéculative que de minuscules trous noirs avec des masses proches de celle du boson de Higgs pourraient se former au Grand collisionneur de hadrons. Cela ne fonctionne que si notre univers a des dimensions supplémentaires. Jusqu'à présent, il n'y a eu aucune confirmation en faveur de cette théorie.
Comment savons-nous que les trous noirs existent?
Nous avons beaucoup de preuves d'observation pour des objets compacts avec de grandes masses qui n'émettent pas de lumière. Ces objets se délaissent par attraction gravitationnelle, par exemple, en raison du mouvement d'autres étoiles ou de nuages de gaz autour d'eux. Ils créent également des lentilles gravitationnelles. Nous savons que ces objets n'ont pas de surface solide. Cela découle d'observations, car la matière tombant sur un objet avec une surface devrait provoquer la libération de plus de particules que la matière tombant à travers l'horizon.
Pourquoi Hawking a-t-il dit l'année dernière que les trous noirs n'existaient pas?
Il voulait dire que les trous noirs n'ont pas d'horizon d'événement éternel, mais seulement un horizon apparent temporaire (voir le premier paragraphe). Au sens strict, seul l'horizon des événements est considéré comme un trou noir.
Comment les trous noirs émettent-ils des radiations?
Les trous noirs émettent des radiations dues aux effets quantiques. Il est important de noter que ce sont des effets quantiques de la matière et non des effets quantiques de la gravité. L'espace-temps dynamique d'un trou noir qui s'effondre change la définition même d'une particule. Comme le passage du temps, déformé à côté d'un trou noir, le concept de particules est trop dépendant de l'observateur. En particulier, lorsqu'un observateur tombant dans un trou noir pense tomber dans le vide, un observateur éloigné du trou noir pense qu'il ne s'agit pas d'un vide, mais d'un espace rempli de particules. C'est l'étirement de l'espace-temps qui provoque cet effet.
Découvert pour la première fois par Stephen Hawking, le rayonnement émis par un trou noir est appelé rayonnement Hawking. Ce rayonnement a une température inversement proportionnelle à la masse du trou noir: plus le trou noir est petit, plus la température est élevée. Les trous noirs stellaires et supermassifs que nous connaissons ont des températures bien inférieures à la température du fond micro-ondes et ne sont donc pas observés.
Qu'est-ce qu'un paradoxe de l'information?
Le paradoxe de la perte d'information est causé par le rayonnement Hawking. Ce rayonnement est purement thermique, c'est-à-dire qu'il n'a de température que par hasard et de certaines propriétés. Le rayonnement lui-même ne contient aucune information sur la formation du trou noir. Mais lorsqu'un trou noir émet des radiations, il perd de la masse et se contracte. Tout cela est complètement indépendant de la substance qui est devenue une partie du trou noir ou à partir de laquelle il s'est formé. Il s'avère que ne connaissant que l'état final d'évaporation, on ne peut pas dire à partir de quoi le trou noir s'est formé. Ce processus est «irréversible» - et le hic, c'est qu'il n'y a pas de tel processus en mécanique quantique.
Il s'avère que l'évaporation d'un trou noir est incompatible avec la théorie quantique que nous connaissons, et il faut faire quelque chose à ce sujet. Éliminez l'incohérence d'une manière ou d'une autre. La plupart des physiciens pensent que la solution est que le rayonnement de Hawking doit en quelque sorte contenir des informations.
Que suggère Hawking pour résoudre le paradoxe de l'information du trou noir?
L'idée est que les trous noirs doivent avoir un moyen de stocker des informations qui n'ont pas encore été acceptées. Les informations sont stockées à l'horizon d'un trou noir et peuvent provoquer de minuscules déplacements de particules dans le rayonnement de Hawking. Dans ces minuscules déplacements, il peut y avoir des informations sur la matière piégée. Les détails exacts de ce processus ne sont actuellement pas clairs. Les scientifiques attendent un article technique plus détaillé de Stephen Hawking, Malcolm Perry et Andrew Strominger. Ils disent qu'il paraîtra fin septembre.
Pour le moment, nous sommes sûrs que les trous noirs existent, nous savons où ils se trouvent, comment ils se forment et ce qu'ils finiront par devenir. Mais les détails sur la destination des informations représentent toujours l'un des plus grands mystères de l'univers.
Ilya Khel
