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Selon la solution de Schwarzschild, les objets gravitant autour
d'un trou noir doivent s'effondrer dans celui-ci si leur orbite passe à
l'intérieur d'un volume dont le rayon est d'une distance caractéristique, connue sous le nom de rayon de Schwarzschild. En effet, le trou noir placé dans le
système espace-temps est tellement dense et massif, qu'il le déforme en le
courbant, si bien que les trajectoires de matières passant à sa périphérie sont déviées. Elles sont attirées vers lui, et
finissent par y tomber si elles se rapprochent de trop près, ou n'ont pas une vitesse suffisante pour se dégager de l'attraction
gravitationnelle du corps stellaire, hyper-massif.
En-deçà du rayon de Schwarzschild, qui correspond au rayon pour lequel la vitesse de libération sera égale à la vitesse de la lumière, naît une singularité gravitationnelle, c'est-à-dire une région de densité théoriquement infinie. Ceci détermine donc une région circulaire, l'Horizon du trou noir. On suppose alors qu'au-delà de cette limite (vers l'intérieur du trou noir), la matière « avalée » se contracte indéfiniment, en un point minuscule de densité infinie, que l'on appelle « singularité de l'espace-temps », ou Singularité de Schwarzschild(x,y,z,t).
La « taille » d'un trou noir est actuellement calculée via la délimitation de leur horizon, qui est donc le point de non-retour vers le milieu extérieur, et ce quels que soient le type du trou noir. On appelle aussi cette membrane « horizon des évènements », simplement car ce qui se passe en dehors est visible depuis le trou noir, mais ce qui se passe en dedans ne l'est pas pour l'extérieur. Ainsi, il semblerait pour un observateur placé en dehors de l'Horizon que rien ne se passe jamais au-delà. Stephen Hawking a définit en 1972 l'Horizon comme une surface ne pouvant jamais décroître, ce qui est en accord avec l'aspect expansionniste du trou noir. Ainsi, le Trou noir est un « objet » stellaire qui reste toujours en mouvement d'expansion, et ne peut en aucun cas diminuer ni de volume, ni de masse, ni de densité, par voie de conséquence.
Puisque même la lumière ne peut s'en échapper, un trou noir classique semblerait vraiment noir et devrait donc être invisible dans l'espace. En pratique, cela n'est pas tout a fait vrai, dans la mesure où la matière qui se précipite dans un trou noir sous l'effet de son attraction gravitationnelle se désintègre en particules primitives en raison des pressions qu'elle subit au-delà du rayon de Schwarzschild : ce processus émet ainsi de l'énergie dont une partie est détectable avec les instruments astronomiques actuels. D'autre part, comme d'autres objets astronomiques massifs, les trous noirs détournent la lumière par leur puissant champ gravitationnel : les effets de telles lentilles gravitationnelles sont également une manière de les détecter.
| Sommaire |
Pour expliciter la dépendance du trou noir au modèle théorique de la relativité générale (voir aussi la théorie de la relativité dans son ensemble), il faut voir comment celle-ci implique l'existence plausible de tels corps.
Le principe de relativité exprime l'idée qu'il n'existe pas de référentiel absolu ou, en d'autres termes, que les lois physiques doivent être indépendantes du mouvement de l'observateur : elles doivent être identiques dans tous les référentiels quels qu'ils soient. En appliquant le principe de relativité aux repères galiléens, Einstein bâtit la théorie de la relativité restreinte. En cherchant à y inclure le cas du mouvement accéléré, Einstein découvrit un lien étroit entre le mouvement d'un référentiel uniformément accéléré et un champ gravitationnel, ce qui donne la base nécessaire à l'existence des trous noirs.
Un champ de gravitation peut être assimilé localement à un référentiel accéléré (et vice versa), à savoir
que, plus la gravitation augmente, plus la vitesse des corps en mouvement dans ce champ augmente : il s'agit d'un mouvement
uniforme accéléré.
L'exemple courant (expérience de pensée qu'affectionnait Einstein) est celui d'une cage d'ascenceur qui se décroche, ce
qui provoque un état de pensanteur. En la faisant s'accélérer ou ralentir, les personnes à l'intérieur ne peuvent distinguer si
elles se trouvent dans un champ de gravitation, ou si elles sont sujettes à un mouvement uniforme.
Einstein poursuivit dans cette voie, et déduisit que la gravitation avait pour effet de modifier l'espace-temps : en se rapprochant du « sol » (le plan de l'espace), les durées et les distances s'étireraient de façon à ce que la vitesse effective par rapport à la « trame » de l'espace-temps reste constante.
D'après le principe de Fermat, la lumière emprunte le chemin le plus court entre deux points. Ce principe n'a jamais été mis en défaut et reste maintenu en Relativité Générale, mais il y acquiert alors une toute autre signification (on parle de principe généralisé.) En géométrie des espaces courbes, les chemins les plus courts entre deux points s'appellent des géodésiques. Le principe de Fermat devient alors : la lumière parcourt les géodésiques de l'espace-temps.
Plus la densité est élevée en une région de l'espace-temps, plus la déviation des rayons lumineux le parcourant est forte vers cette région. Nous savons maintenant que la densité de la matière stellaire peut atteindre, sous l'effet de la pression gravitationnelle, des valeurs gigantesques. Il existe une valeur seuil pour laquelle les géodésiques d'espace-temps autour de l'étoile se referment sur elles-mêmes. Les rayons lumineux émis par l'astre parcourent alors indéfiniment une boucle fermée, sans jamais pouvoir s'échapper d'une certaine distance de l'étoile, ce qui correspond à l'Horizon du trou noir.
Le rayon de Schwarzschild délimite donc une région de l'espace où l'écoulement du temps devient infini. C'est en fait pour cette raison les physiciens appellent cette limite Horizon des événements ; non pas qu'il n'existe plus d'évènements, mais plutôt un seul, indiscernable. Dans la théorie, et à l'inverse du précédent phénomène, un observateur interne au trou noir ayant dépassé l'horizon, et se tournant vers l'extérieur (vers le milieu stellaire extérieur), serait amené à voir l'avenir, dans la mesure où son unité de temps est plus grande à chaque instant que celle effective à l'extérieur.
L'idée de temps dans un trou noir se confond à la fois avec l'idée d'un temps figé, car indéfiniment long (observateur externe) et d'un temps infini (observateur interne.)
La théorie de la relativité convient que la vitesse de la lumière, c, est une vitesse limite. Or, affirmer que la lumière ne peut s'échapper d'un trou noir revient à dire que la vitesse de libération de ces corps stellaires est supérieure à c. Le rayon de Schwarzschild est la limite de validité de toutes les théories actuelles; l'étude des trous noirs est donc loin d'être anecdotique.
Selon certaines théories sujettes à débat, il existerait des trous blancs qui seraient l'opposé des trous noirs, rejetant de l'énergie en permanence. D'autres théories encore plus controversées postulent que l'on pourrait traverser un trou noir et émerger ailleurs (dans le même univers voire dans un autre).
On estime que pour mourir, ou plus précisément s'évaporer, un trou noir doit se trouver dans un univers extrêmement froid, c'est-à-dire à quasiment 0 Kelvins soit -273,15 °C environ. Or, à cause du rayonnement fossile, même dans la partie la plus reculée de l'univers, la température est aujourd'hui de 3 K (soit -270°C environ). Dans ces conditions, leur évaporation ne devrait commencer que dans 1020 ans pour les moins lourds (quand l'univers se sera suffisamment refroidi) et durer entre 1065 ans et 10100 ans (le phénomène d'évaporation des trous noirs est tout de même passablement lent et le trou noir émet alors une lueur extrêmement ténue).
