24 : Les trous noirs et l'espace-temps incurvé
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Pendant la majeure partie du XXe siècle, les trous noirs ont appartenu à de la science-fiction, présentés soit comme des aspirateurs monstres consommant toute la matière qui les entoure, soit comme des tunnels d'un univers à l'autre. Mais la vérité sur les trous noirs est presque plus étrange que la fiction. Alors que nous poursuivons notre voyage dans l'univers, nous découvrirons que les trous noirs sont la clé qui explique de nombreux objets mystérieux et remarquables, y compris les étoiles effondrées et les centres actifs de galaxies géantes.
- 24.1 : Présentation de la relativité générale
- Einstein a proposé le principe d'équivalence comme fondement de la théorie de la relativité générale. Selon ce principe, personne ou expérience dans un environnement étanche ne peut faire la distinction entre la chute libre et l'absence de gravité.
- 24.2 : Espace-temps et gravité
- En examinant les conséquences du principe d'équivalence, Einstein a conclu que nous vivons dans un espace-temps incurvé. La distribution de la matière détermine la courbure de l'espace-temps ; les autres objets (et même la lumière) entrant dans une région de l'espace-temps doivent suivre sa courbure. La lumière doit changer de trajectoire à proximité d'un objet massif non pas parce que la lumière est déformée par la gravité, mais parce que l'espace-temps l'est.
- 24.3 : Tests de relativité générale
- Dans les champs gravitationnels faibles, les prédictions de la relativité générale sont en accord avec les prédictions de la loi de la gravité de Newton. Cependant, dans la plus forte gravité du Soleil, la relativité générale fait des prédictions qui diffèrent de la physique newtonienne et peuvent être testées. Par exemple, la relativité générale prédit que la lumière ou les ondes radio seront déviées lorsqu'elles passent près du Soleil, et que la position où Mercure se trouve au périhélie changerait de 43 secondes d'arc par siècle, même s'il n'y avait pas d'autres planètes.
- 24.4 : Le temps dans la relativité générale
- La relativité générale prédit que plus la gravité est forte, plus le temps doit s'écouler lentement. Des expériences sur Terre et avec des engins spatiaux ont confirmé cette prédiction avec une précision remarquable. Lorsque de la lumière ou un autre rayonnement émerge d'un vestige compact plus petit, tel qu'une naine blanche ou une étoile à neutrons, il présente un décalage gravitationnel vers le rouge dû au ralentissement du temps.
- 24.5 : Trous noirs
- La théorie suggère que les étoiles dont le noyau stellaire est plus de trois fois plus massif que le Soleil au moment où elles épuisent leur combustible nucléaire s'effondreront pour devenir des trous noirs. La surface entourant un trou noir, où la vitesse d'échappement est égale à la vitesse de la lumière, est appelée horizon des événements, et le rayon de la surface est appelé rayon de Schwarzschild. Rien, pas même la lumière, ne peut s'échapper du trou noir à travers l'horizon des événements. En son centre, chaque trou noir est censé avoir un si
- 24.6 : Preuves de trous noirs
- La meilleure preuve de la présence de trous noirs de masse stellaire provient de systèmes stellaires binaires dans lesquels (1) une étoile de la paire n'est pas visible, (2) l'émission de rayons X vacillants est caractéristique d'un disque d'accrétion autour d'un objet compact, et (3) l'orbite et les caractéristiques de l'étoile visible indiquent que la masse de son le compagnon invisible est supérieur à 3 mSun. Un certain nombre de systèmes présentant ces caractéristiques ont été découverts. Des trous noirs d'une masse de millions à des milliards de masses solaires se trouvent dans
- 24.7 : Astronomie des ondes gravitationnelles
- Une autre partie des idées d'Einstein sur la gravité peut être testée afin de vérifier la théorie qui sous-tend les trous noirs. Selon la relativité générale, la géométrie de l'espace-temps dépend de l'emplacement de la matière. Tout réarrangement de la matière, par exemple d'une sphère à une forme de saucisse, crée une perturbation de l'espace-temps. Cette perturbation est appelée onde gravitationnelle, et la relativité prédit qu'elle devrait se propager vers l'extérieur à la vitesse de la lumière.
Miniature : L'illustration de l'artiste sur la droite montre le trou noir arrachant de la matière à une étoile bleue massive. Ce matériau forme un disque (représenté en rouge et orange) qui tourne autour du trou noir avant d'y tomber ou d'être redirigé hors du trou noir sous la forme de puissants jets. La matière contenue dans le disque (avant qu'elle ne tombe dans le trou noir) est si chaude qu'elle émet des rayons X, ce qui explique pourquoi cet objet est une source de rayons X (crédit modification des travaux de la NASA/CXC/M.Weiss).