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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 « propriétés des spectres de réflexion de rayons-X de trous noirs supermassifs binaires, » ou « kamoulox » si tu préfères. en gros, je calcule la composition de la lumière à haute énergie qu'émettraient (théoriquement) des trous noirs binaires au centre des galaxies. je dis « théoriquement » parce que, bien qu'on sache plutôt bien comment ça se passe quand tu as 1 seul trou noir (parce qu'on l'a mesuré), on n'a toujours pas détecté de systèmes binaires — donc on ne sait pas exactement en quoi ça serait différent. les trous noirs binaires, c'est particulièrement intéressant, parce que ce seraient des sources très, très, très puissantes d'ondes gravitationnelles, et donc pouvoir les étudier à la fois avec nos moyens « traditionnels » (télescopes) et avec nos détecteurs à ondes gravitationnelles nous permettrait de comprendre énormément de choses sur l'univers et son fonctionnement.


si tu n'es pas trop sûr·e d'avoir tout compris, j'essaie de décortiquer ce paragraphe ici-dessous.


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 s'y retrouve piégée 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 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 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 :

  1. la présence de matière va déformer l'espace temps de façon plus ou moins proportionnelle à sa masse ;
  2. 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 matière qui constitue l'ensemble de la planète a déformé l'espace-temps, et la balle ne fait que suivre la trajectoire définie par la présence de la terre. cette trajectoire correspond à une ligne droite dans la géométrie de l'espace-temps terrestre

la gravité, c'est juste une propriété de la courbure de l'espace-temps — et un trou noir, c'est tout simplement 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.

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, dessous-dessus

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 les 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 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 sagitarius a*.
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 milieux).
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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