I. LE TROU NOIR 1) Definition : Les lois de l’attraction universelle s’appliquent non seulement a la matiere mais aussi a la lumiere. Ainsi, la masse de tout astre (ex: le Soleil ou la Terre ) serait amenee a devier les rayons lumineux qui s’en approchent et passent pres. Des lors, la lumiere ne se propage plus en ligne droite. En consequence : il pourrait exister des objets cosmologiques(ou astres) tres compacts que rien ( pas meme la lumiere) ne parvient a s’echapper de leur intense force de gravite: ce sont les trous noirs. 2) De l’etoile au trou noir :
Pour former un trou noir, une etoile doit avoir une masse 25 fois superieure a celle du Soleil (etoile massive). Lorsque l’etoile massive(super geante) a brule tous ses carburants nucleaires, le c? ur de l’etoile se contracte sous l’effet de la gravitation, puis elle eclate ce qui donne naissance a une super nova (ensemble des phenomenes presents lors de l’explosion et de la destruction de l’etoile; il est tres lumineux). Lors de cette explosion, cette etoile perd une enorme quantite de masse. Elle se transforme alors en etoile a neutrons (elle devient tres dense).
Cependant, si la masse de ce « cadavre stellaire »
Elle est constitue de la matiere qui est attiree et prochainement aspiree par le trou noir. Dans l’ergosphere tout objet se desintegre sauf quelques petites particules qui suivent une trajectoire en « spirale sortante ». Lorsque l’horizon des evenements est franchi, plus aucunes particules ( que ce soit lumiere ou matiere) ne peut s’echapper hors de la region et tombe alors vers la singularite. Le rayon de Schwarzschild peut etre calcule par la relation ci dessous: (Rs se mesure en metre: m) G : constante de gravitation universelle de Newton = 6,67. 10-11 m : masse du trou noir : vitesse de la lumiere dans le vide = 299 792 458 m/s Exemple pour le Soleil: si l’on parvenait a faire entrer sa substance dans un volume de 3 kilometres de rayon, 250 000 fois moindre qu’actuellement, il deviendrait un trou noir. Par le calcul: Rs =2Gm/c? = (2*6,67. 10-11*1,98892. 1030)/299792458? =2952m Exemple pour la Terre: Elle mesurerait 2 centimetres de diametre environ (2R) Par le calcul: Rs =2Gm/c? = (2 * 6,67. 10-11*5,9742. 1024)/299792458? =0,009m Remarque: Certains trous noirs sont si gros qu’ils rassemblent autant de matiere que des millions ou des milliards de soleils au c? r des galaxies (aussi dense que l’air que l’on respire). II. Les differences et les points communs 1) Les differents types de trous noirs Dans l’univers, les trous noirs sont references par type: ils sont classes en fonction de leur taille (Elle s’exprime en masse solaire: Par exemple un trou noir intermediaire possede une masse comprise entre 100 et 10000 masses solaires. ). Nous allons les references par taille: Du plus petit type de trou noir au plus grand. Nom Taille (En nombres de masses solaires) Origine et description Les trou noirs primordi-aux (Ou micros trous noirs)
Une particule: ils seraient microscopiques. Tout d’abord, leur existence n’est que theorique: ce sont les physiciens Stephen Hawking et Bernard Carr qui ont etablis cette theorie en 1970. Ils aurait ete crees durant le big bang. Ces trous noirs pourraient etres recrees grace a l’accelerateur de particule LHC. Ils ne resulteraient pas de l’effondrement gravitationnelle d’une etoile massive. Les trous noirs stellaires Une dizaine de masse solaire. Ces trous sont formes lors de l’effondrement d’une etoile massive ( plus de 10 masses solaires) sur elle meme. (Voir le I)
C’est la famille la mieux connue, et certains de ces objets ont ete repertories dans notre galaxie. Les trous noirs intermediaires Entre 100 et 10000 masses solaires La decouverte de ces trous noirs est tres recente, la premiere hypothese concernant leur formation etait qu’ils se formaient dans le c? ur des amas globulaires (un amas globulaire est un amas d’etoiles tres dense contenant une centaine de milliers d’etoiles contenues dans une sphere dont la taille varie de 20 a quelques centaines d’annees lumieres. Les etoiles de ces amas sont generalement des geantes rouges).
Mais ces hypothese n’avaient aucune preuves jusqu’a ce que dans les annees 2000 des observations montrent l’existence de rayonnement X ultra-lumineux qui ne provenaient pas de trous noirs super massiques mais de trous noirs intermediaires! Les trous noirs super massifs Plusieurs centaines de millions de masses solaires. L’origine de ces objets ne nous est pas exactement connue, mais deux ont ete avancees a ce sujet: -Ils seraient le resultat d’un effondrement gravitationnel de zones denses et riches en matiere (c? ur des galaxies, nebuleuses,…. ) Ils seraient le resultat d’une longue evolution de trous noirs non massifs (stellaires, intermediaires ou primordiaux) ayant «grossis» au fil du temps. Cependant nous savons qu’ils se trouvent au centre de toute galaxie. A ce sujet egalement deux conjectures ont ete avancees: -Ils seraient a l’origine des galaxies provoquant ainsi leur rotation. – Ils seraient la consequence des galaxies qui s’effondrent en leur centre. http://www. cea. fr/jeunes/mediatheque/animations_flash/a_la_loupe/les_trous_noirs 2)Les points communs -La vitesse d’evasion des trous noirs:
La vitesse d’evasion (ou de liberation) est la vitesse minimale que doit atteindre un corps pour ne pas entrer dans le champ gravitationnelle d’un astre. Elle se calcule par la formule suivante: v= ? 2Gm/r G:constante universelle :6,67*10^-11 m:masse de l’astre en kg r:rayon de l’astre en m Le rayon du trou noir (le rayon de Schwarzschild) correspond a R=2Gm/c?. Donc, la vitesse d’evasion du trou noir vaut: v=? 2Gm/r = ? (2Gm)/(2Gm/c? ) = ? (c? ) = c En consequence, la vitesse d’evasion de n’importe quel trou noir de masse m est la vitesse de la lumiere. -Proportionnalite entre masse et rayon de Schwarzschild d’un trou noir:
On calcule le rayon de Schwarzschild pour x masse solaire : Rs = 2. G. m/c? = 2. G. (x masse solaire)/c? Tableau de valeurs: Masses solaires (1,9891*10^30 kg) Rayon de Schwarzschild (m) 1 2952 2 5904 3 8857 4 11809 5 14761 6 17714 7 20666 8 23618 Graphique du rayon de Schwarzschild en fonction de la masse solaire Le rayon de Schwarzschild, en metres, est en ordonnee, et le nombre de masse solaire en abscisse. Coefficient directeur = yb-ya / xb-xa b=0 (car la droite passe par l’origine) = 6-2 / 17714-5904 = 4 / 11810 = 2/5905 donc y = 2x/5905 Bilan :
Tous les trous noirs ont : la meme vitesse d’evasion a leur horizon, qui est egale a la vitesse de la lumiere (299 792 458 m. s) une masse proportionnelle a leur rayon de Schwarzschild III. Observation et detection Introduction: Les trous noirs etant invisibles, puisqu’ils empechent la lumiere de s’echapper, detecter un trou noir semble impossible. Cependant, on peut les detecter indirectement grace aux actions qu’ils exercent sur les astres environnants. Seuls les trous noirs stellaires et super massifs peuvent etre observes car ils engendrent des phenomenes violents et facilement observables.
Pour les detecter, il existe differentes methodes. Http://trounoir. iquebec. com/detection. htlm http://tpe. trou. noir. free. fr/detection. php http://trounoir. pagesperso-orange. fr/troisieme_loi_de_kepler. html 1)Determination de la masse des deux composantes d’une etoile binaire Etoile binaire: c’est une etoile multiple (qui tourne autour d’une autre) composee de deux etoiles orbitant autour d’un centre de gravite commun. Si on observe une etoile dont la masse est faible et le mouvement orbital est important, et que cependant son compagnon est invisible, alors : ce compagnon est une etoile a neutron ou un trou noir.
On peut evaluer la masse d ‘une etoile a distance grace a son rayonnement. Pour etre une etoile un neutron, il faut que sa masse soit inferieur a 3,3 masses solaires. Si elle depasse cette limite, l’objet est considere comme etant un trou noir. 2)Emission de rayons X, de rayons de gamma -Un sursaut de gamma est une bouffee de photons, des constituants du rayonnement lumineux, qui apparaissent aleatoirement dans le ciel et qui sont situes a tres grande distance de la Terre. Ils sont les elements les plus lumineux de l’univers, apres le Big Bang;
Les causes de la production de ces sursauts de gamma sont: -l’absorption d’une etoile a neutron par un trou noir -la collision entre deux etoiles -l’implosion d’une supernova en trou noir On peut observer ici l’emission de sursauts de gamma -Un rayon X est une forme de rayonnement electromagnetique a haute frequence. Il se distingue des rayons gamma (pourtant de meme nature et d’energie semblable) par leur mode de production: les rayons X sont produits par les electrons d’atomes alors que les sursauts gamma sont produits par les noyaux des atomes.
Les rayons X sont emis lorsque les particules de matiere s’echauffent, juste avant que la matiere ne puisse plus echapper a la forte attraction gravitationnelle du trou noir et plonge dans celui-ci. On observe une etoile en orbite autour d’un trou noir, dont la matiere est aspiree, ce qui provoque un echauffement de particules et donc l’emission de rayons X 3)Les ondes gravitationnelles et electromagnetiques -Une methode pour detecter les trous noirs consiste a evaluer le decalage des ondes electromagnetiques grace a l’effet Doppler.
En effet, on peut calculer la vitesse des gaz et des objets stellaires proches du noyau d’une galaxie, que l’on soupconne d’abriter un trou noir. Les mesures de vitesse d’un objet a divers stades de son orbite, livre la position et la masse de l’astre autour duquel il gravite sont difficiles a realiser. On deduit par des mesures spectroscopiques les valeurs de vitesses, equivalents aux decalages des raies spectrales (les decalages sont dus a l’effet Doppler). La loi de Kepler a pour formule : T est la periode de l’objet est le demi grand axe de la trajectoire elliptique G est la constante de la gravitation universelle M est la masse de l’objet au centre -Une autre methode consiste a detecter des ondes gravitationnelles. Aujourd’hui, cette methode n’est pas encore utilisable car la technologie n’est pas encore asse avancee. Lorsqu’un corps chute sur un trou noir ou qu’une etoile s’effondre, il y a une emission d’ondes gravitationnelles. Il faudrait sur Terre des antennes tres sensibles qui puissent capter ces ondes gravitationnelles. Cette technique est prevue pour le XXIe siecle.
