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trou noir késako?
Bon, on se tutoie si ça te dérange pas trop.
Vu que maintenant c'est juste toi et moi, je te fais
mon petit spiel de manière un peu plus directe.
En quelques mots... ma thèse s'intitule « X-ray reflection properties of
supermassive black hole binaries, » ce qui, en gros, veut dire « si tu trouves 2 gros trous noirs
qui s'orbitent l'un l'autre, et que tu veux les regarder avec tes télescopes à rayons X, tu verras quoi? »
Ça peut paraître un peu arbitraire de se focaliser sur les systèmes binaires,
mais j'ai plusieurs bonnes raisons: on pense que ces trous noirs grandissent et
évoluent en partie grâce au fusionnement de trous noirs progéniteurs plus légers,
donc c'est important de comprendre la phase intermédiaire.
Mais la motivation principale, c'est que 2 trous noirs qui s'orbitent, ça t'émet des
ondes gravitationnelles incroyablement puissantes qu'on peut capter ici sur Terre.
Alors bon, si on a l'occasion d'étudier le même évenement à la fois de façon « classique »
(c'est à dire grâce à la lumière) et gravitationnelle, on veut être sûrs qu'on sache
quand même expliquer ce qu'on voit avec les rayons X.
Si tu n'es pas trop sûr·e d'avoir tout compris, j'essaie de décortiquer différents aspects de cette
question ici dessous.
rayons x? t'es sûr·e?
Les rayons X sont une forme de lumière très énergétique. Tu as peut-être déjà entendu dire que
la lumière, c'est un rayonnment (ou une onde) électromagnétique. C'est un spectre qui inclut
les ondes de radio, l'infrarouge, la lumière visible, l'ultraviolet, les rayons X et les
rayons gamma.
Un trou noir, en soi, c'est tout simple. C'est un objet d'une masse telle
qu'aucune force ou particule dans l'univers ne peut rivaliser avec sa gravité,
et si on traverse son « horizon des événements » (sa surface), on s'y retrouvera piégé·e
pour l'éternité.
Même la lumière! d'où le nom de trou noir.
À la base, les trous noirs, c'était juste une conjecture, une curiosité mathématique prédite par
la solution la plus simple aux équations de champ d'Einstein, celle de Schwarzschild.
Schwarzschild a réussi à formuler une solution, qui, bien qu'elle soit très simple en
soi (le champ gravitationnel autour d'une masse à symmétrie sphérique — c'est-à-dire toute ronde),
suggérerait l'existence d'un objet si dense qu'il ne laisserait pas la lumière s'en échapper.
Vu que c'était un peu tiré par les cheveux cette idée, le nom de « trou noir » pour décrire
ce truc un peu chelou, c'était un peu une blague.
vu qu'on y est, c'est quoi la gravité?
La gravité selon Einstein, c'est tout d'abord une histoire de géométrie. Il s'agit de 2 postulats :
- la présence de matière va déformer l'espace temps de façon plus ou moins proportionnelle à sa masse ;
- la matière se déplace le long de trajectoires définies par l'espace-temps
Le physicien John Wheeler utilise une jolie tournure de phrase:
« l'espace-temps indique à la matière comment bouger — la matière indique à l'espace-temps comment se courber »
En gros, un objet que je lance tombe par terre, non pas parce que le sol l'attire comme un aimant...
mais parce que toute la concentration de matière qui constitue la planète a déformé
l'espace-temps, et la balle ne fait que suivre la trajectoire définie par ce déformement.
La gravité, c'est donc juste la courbure de l'espace-temps —
et un trou noir, c'est une façon de décrire ce qui arrive
quand la courbure est trop intense.
espace, temps, et puis quoi encore?
En gros, l'espace-temps, c'est la surface de l'univers. Tout ce qui existe,
a existé ou existera, a sa place définie sur l'espace-temps. Si tu sais « où ça »
et « quand ça, » tu trouves le point correspondant dans l'espace-temps.
Prenons, par exemple, l'exemple d'une petite voiture Hot Wheels sur une table.
La surface de la table représente l'ensemble des endroits où la petite voiture peut aller.
On peut ajouter une dimension supplémentaire pour représenter le temps qui passe,
un peu comme ça à droite.
Ainsi, la trajectoire de la voiture sur le diagramme espace-temps que l'on vient de définir
est une ligne droite, qui vient de l'origine (déplacement 0 centimètres, temps écoulé 0 secondes)
et trace une diagonale vers le haut et la droite (passant par le point à 10 centimètres et 2 secondes, disons)
Ainsi, toute combinaison de 3 nombres $(t,x,y)$ correspond à un endroit précis et unique
parmi tous les points où la voiture peut aller.
Notre espace-temps à nous, est en 4 dimensions:
- temps $(t)$
- endroit $(x,y,z)$, ou droite-gauche, devant-derrière, dessus-dessous
Les trous noirs, on les trouve principalement sous deux formes différentes: trous noir stellaires,
ce qu'il reste après qu'une étoile massive a épuisé tout son carburant, et
trous noirs massifs (ou supermassifs), qu'on trouve au centre de la plupart des (grosses) galaxies.
Moi, c'est ces derniers qui m'intéressent.
recette pour un trou noir
Pour t'en cuire un fait maison, tout ce qu'il te faut, c'est d'assembler
assez de matière en un seul endroit et laisser la gravité faire son
travail.
Je te rassure: par « assez » de matière, je veux dire vraiment beaucoup
de matière. Genre, la masse de plusieurs soleils au moins.
et puis le Soleil, c'est déjà un sacré gaillard. Une unité de masse solaire,
$1M_\odot$, c'est égal à $10^{30}$ kilogrammes, plus ou moins. Le symbole $\odot$
signifie ''solaire.''
Donc, on reprend:
ta recette à trou noir infaillible consiste à rassembler au moins $\sim 3M_{\odot}$ dans
un coin tranquille. Toute cette masse va commencer à s'effondrer sous son poids, et si
à la base t'avais une sorte de nuage de particules de gaz, tu vas le voir se contracter
en une sphère de plus en plus compacte, au centre de laquelle la pression et la température
grimpent ... et grimpent...
... jusqu'au moment fatidique...
... où la sphère s'embrase!
Félicitations! tu es désormais le fier parent d'une belle étoile toute neuve!
Mais que s'est il donc passé?
Le gaz qui forme ta sphère est probablement composé
d'hydrogène, l'élément le plus léger et le plus abondant
dans tout l'univers. C'est un atome fait d'un seul proton en tant que noyau, autour
duquel orbite un seul électron.
Au centre de ta sphère, tu as atteint des conditions de pression et température telles
que spontanément, tu as réussi à enclencher la fusion d'hydrogène en hélium, ce qui
est une source prodigieuse d'énergie.
Cette énergie est libérée majoritairement sous la forme de lumière, qui produit une pression radiative
vers l'extérieur, qui arrive à contrebalancer la force de gravité et ta sphère de gaz cesse
de s'effondrer (pour un certain temps).
Tu peux maintenant attendre quelques milliards d'années pour que ta belle étoile épuise tout
son carburant. À ce moment là, la pression radiative qui équilibrait l'équation n'est plus
là pour combattre la force de la gravité.
Et là, c'est le drame. l'effondrement.
Bravo, ton étoile est morte, et son noyau est
maintenant un trou noir!
À l'instar des trous noirs dits "stellaires," c'est-à-dire formés par l'effondrement de grosses
étoiles, les trous noirs (super)massifs ont débuté leur aventure il y a bien plus longtemps, et
ont englouti maintes étoiles, d'autres trous noirs, ainsi que des quantités prodigieuses de nuages
de gaz et de poussière.
On les trouve au milieu de galaxies — y compris la nôtre! Notre trou noir supermassif à nous s'appelle
Sagittarius A* (ou Sgr A* si vous êtes potes).
Ça peut paraître un peu étonnant, mais ce genre de trou noir permet l'enclenchement d'un processus
incroyablement lumineux, et les sources de lumières les plus lointaines (que l'on peut néanmoins
détecter) seraient vraisemblablement des trous noirs en train de consommer des quantités inimaginables
de gaz.
comment ça, ça brille?
Les trous noirs, eux-mêmes, ils brillent pas vraiment. Mais si tu leur fournis un nuage
de gaz et poussière, un disque d'accrétion va se former autour. Cette matière va
chauffer pas mal, et se mettre à scintiller, comme une étoile ou comme une flamme sur ta
gazinière, mais dans des longeurs d'onde plus courtes (c'est à dire plus énergétique, vu
que c'est quand même un peu plus chaud).
Ces photons vont interagir avec des champs magnétiques, des électrons libres à très haute énergies
et l'espace-temps même autour du trou noir, ce qui va altérer leur fréquences !
Ainsi, compter le nombre de photons pour chaque intervalle d'énergie te permet de déduire
plein d'information sur ce qui se trouve à leur source! Et ça, c'est vachement pratique.
Bon, ok, c'est bien beau tout ça, mais ça vient d'où mes histoires de trous noirs binaires?
On sait 2 choses avec un certain degré de certitude:
Primo: toutes les grosses galaxies autour de nous dans
l'espace contiennent un trou noir supermassif dans leurs noyaux (c'est-à-dire au milieu).
Secondo: afin d'atteindre ces grosses tailles, toutes ces galaxies ont dû très certainement se fusionner
entre elles.
Ergo: on peut s'attendre à ce qu'il y ait un certain nombre de trous noirs supermassifs qui n'ont pas encore
eu le temps de fusionner au centres de certaines de ces galaxies, vu le temps que ça prend (très longtemps).
on n'en a pas encore vu directement, mais on devine que ces systèmes binaires se cachent dans nos alentours.
et 2 trous noirs qui s'orbitent l'un l'autre à une certaine proximité vont émettre des ondes gravitationnelles
qu'on pourra détecter! D'où l'intérêt particulier sur eux.
ok, ok, mais c'est quoi une onde gravitationnelle?
Si tout objet pourvu de masse courbe l'espace-temps, on peut s'imaginer que
quand cet objet bouge, le changement dans la courbure de l'espace-temps doit
se propager d'une façon ou d'une autre. Et bien, cette façon de se propager,
c'est une onde gravitationnelle! Si le soleil disparaissait sans prévenir,
on n'en saurait rien pendant les 8 minutes-lumière qui nous sépare (nous, la Terre)
du soleil (1 minute-lumière, c'est juste la distance que la lumière parcourt
en 1 minute. C'est la même idée que les années-lumière, juste à des échelles bien
plus petites). Et puis, exactement au même moment que le dernier photon émit par la
surface du soleil nous atteindrait, l'espace temps dans lequel la Terre évolue aura
alors retrouvé sa forme originelle (c.à.d. tout plat) et la Terre, libérée de son orbite
autour du centre du système solaire partira en ligne droite!
Si tu as des objets très compacts (par ex. des trous noirs) qui bougent très rapidement
et très régulièrement (par ex. en orbite l'un autour de l'autre...), cela cause des
perturbations dans l'espace-temps plus ou moins similaires aux ondulations d'eau sur la surface
d'une mare où tu aurais lancé un caillou... et ça, on peut le détecter!
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