La gravitation

Les trous noirs et les mirages gravitationnels

Les trous noirs :

Imaginons une situation où l’espace-temps est représenté par une grille. Tout corps possédant une masse déforme l’espace-temps, formant autour de lui un puit gravitationnel. Si un autre objet se trouve à proximité, il va alors être attiré en descendant le puits gravitationnel. Plus la masse du corps est importante, plus l’attraction devient forte, et ainsi plus l’objet attiré doit se déplacer rapidement pour se libérer de l’attraction gravitationnelle. Or si l’astre devient assez massif, tout en gardant la même taille, le puit gravitationnel engendré sera tellement important que cette vitesse de libération dépassera la vitesse de la lumière. Et comme rien ne peut se déplacer plus rapidement que la lumière, alors rien ne pourra plus jamais s’échapper de cette attraction. Même la lumière, en se rapprochant trop près, sera capturée : c’est un trou noir. A la base, un trou noir renferme une singularité gravitationnelle, c’est-à-dire un point de l’espace au niveau duquel la courbure de l’espace-temps devient infinie. C’est là que se trouve toute la masse du trou noir. Plus on s’éloigne de cette singularité, moins l’attraction gravitationnelle est forte et lorsque l’on arrive en dehors d’une limite que l’on appelle l’horizon des évènements, l’attraction devient assez faible pour que la lumière passant à proximité puisse échapper au trou noir. Ainsi, tout ce qui se trouve en dehors de l’horizon, peut espérer échapper au trou noir, mais dès qu’un objet dépasse l’horizon, alors il est destiné à tomber dans le trou noir sans jamais pouvoir revenir en arrière. Comme les trous noirs engloutissent toute lumière passant trop près, ils nous apparaissent noirs. Ils ne peuvent donc pas être vus directement. Cependant, on peut les détecter de manière indirecte. Tout d’abord leur présence est trahie par leur influence gravitationnelle très forte. En effet, étant capable de dévier la lumière, les trous noirs vont agir comme des lentilles gravitationnelles qui vont dévier la trajectoire des rayons lumineux en provenance d’étoiles lointaines, créant ainsi un mirage gravitationnel. Ayant également une forte influence à grande distance, les trous noirs peuvent également être repérés en étudiant la trajectoire des étoiles environnantes. Enfin, bien que les trous noirs n’émettent pas de rayonnement par eux-mêmes, ils en émettent de façon indirecte. En effet, autour de certains trous noirs, la matière environnante subissant l’attraction va former un disque en rotation autour de la singularité, appelé disque d’accrétion. Il existe dans l’univers des trous noirs de toutes les tailles. Les plus petits, que l’on appelle trous noirs stellaires, résultent de l’effondrement de certaines étoiles massives. Grands de seulement quelques kilomètres, ils représentent plusieurs fois la masse du soleil. Les plus grands trous noirs, se situent eux généralement au centre des galaxies comme la Voie Lactée. Ces trous noirs supermassifs sont très grands, pouvant atteindre plusieurs milliards de kilomètres. Enfin, bien que les trous noirs ne puissent pas émettre de rayonnement, des effets quantiques complexes font en sorte que chaque trou noir s’évapore lentement en émettant un rayonnement, que l’on appelle le rayonnement de Hawking. Plus un trou noir est grand, plus il va mettre longtemps à s’évaporer. Ainsi, pour les trous noirs de taille normale, cette évaporation est extrêmement lente, s’étalant sur plusieurs milliards d’années et donc très négligeable à notre échelle. Cependant, il pourrait exister des trous noirs microscopiques qui se seraient formés juste après le Big Bang. Pour ces trous noirs primordiaux, le phénomène d’évaporation deviendrait alors très important, entrainant une disparition quasi-instantanée. Les trous noirs sont donc des objets complexes, qui regorgent de mystères et qui alimentent l’imagination des scientifiques. Ils ont donné naissance à beaucoup de questions et hypothèses, comme par exemple l’existence de raccourcis qui permettraient de se déplacer dans l’espace-temps, les trous de verre.

 

Les mirages gravitationnels :

L’univers est une immense surface à 4 dimensions, l’espace-temps, sur laquelle se déplacent les astres. Lorsqu’un corps massif est dans l’espace-temps, il le déforme et le courbe. Plus l’objet est massif, plus la déformation va être prononcée. Cette courbure de l’espace-temps est à l’origine de l’attraction gravitationnelle, qui permet à la terre de tourner autour du soleil, comme une bille au fond d’un bol. Il se trouve que la lumière elle-même est affectée par cette déformation. En se déplaçant dans l’univers, un faisceau lumineux va emprunter le chemin le plus court possible. Dans un univers classique, non courbé, le chemin le plus court est une ligne droite. Mais dans un univers courbé, le chemin le plus court est également courbé, car il suit la déformation de l’espace-temps.  Ainsi, un faisceau lumineux en provenance d’une étoile ou d’une galaxie, va être très légèrement déviée en passant à côté d’un astre. Mais cette déviation reste infime et négligeable. Mais si le corps est très massif, de sorte à déformer l’espace-temps de façon importante, alors le faisceau sera fortement dévié. De cette façon, un observateur sur terre, serait en mesure de recevoir la lumière déviée. En observant cette lumière, on observe l’astre là où il devrait se trouver si l’espace n’était pas courbe et que le faisceau s’était déplacé en ligne droite. Ainsi, on observe une image déformée et décalée par rapport à la vraie position de l’astre. C’est ce phénomène que l’on appelle lentille ou mirage gravitationnel. Les mirages gravitationnels sont causés par des masses très importantes comme des amas de galaxies ou des trous noirs. Mais il est également possible d’observer des mirages qui semblent n’être dus à aucun astre. En réalité, ceux-ci sont causés par une masse très importante, invisible qui compose un tiers de l’univers, la matière noire.

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