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On connait les trous noirs comme des objets célestes duquel rien ne s’échappe, pas même la lumière. Ce qu’on sait moins c’est pourquoi la lumière ne peut pas s’en échapper, ni pourquoi les trou noirs existent.



Avant de commencer à expliquer pourquoi rien ne peut s’échapper d’un trou noir, il faut savoir que dans l’univers tous les corps massifs s’attirent grâce à l’attraction gravitationnelle.

Ensuite ça commence à devenir compliqué : un objet très massif comme une étoile ou un trou noir déforme l’espace-temps aux alentours. Une ligne droite y serait alors tordue. Pas qu’elle ne serait plus droite, mais c’est la définition de l’espace et de la rectitude qui serait alors redéfinie, comme les déformations que l’on voir quand on regarde à travers une bouteille d’eau..

Ces déformations de l’espace sont d’autant plus importantes que l’astre est massif. Pour les trou noirs, la déformation est telle que les lignes de l’espace-temps sont aspirées dans le trou noir, comme un siphon. Toute ligne droite passant par un trou noir pointe donc vers son centre sans ressortir de l’autre côté.

black-hole Ici, la déformation des lignes de l’espace-temps ↑ (image)


La lumière, elle, suit les lignes droites de l’espace. Les déformations font donc que la lumière se propage jusqu’à dans le trou noir, sans en ressortir (vu que les lignes droites de l’espace sont déformées par la présence du trou noir).
Bien, maintenant on sait comment la lumière est déviée par un astre massif, et on comprend donc comment les trou noirs dévient la lumière, jusqu’à l’aspirer.

Mais pourquoi la matière et la lumière ne peut-elle plus s’en échapper ?

Pour répondre à ça il faut voir la notion de vitesse de libération

Lorsque l’on lance une balle en l’air, l’attraction de la Terre la fera retomber. Si on la lance plus fort, elle ira plus haut et retombera plus tard. Maintenant si on la lance vraiment très vite, elle ira infiniment haut et l’attraction terrestre ne suffira pas à la faire retomber : elle ira dans l’espace et sera libérée de l’attraction terrestre.

La vitesse à partir de laquelle l’objet ne retombe plus est nommé vitesse de libération. Sur Terre, elle est de 11,2 km/s (soit 40 000 km/h). Ces vitesse sont facilement atteints par les satellites ou les fusées.

La vitesse de libération dépend de la masse de l’astre d’où on lance la balle : pour le Soleil, elle est 617 km/s (2 221 000 km/h) à la surface. Pour les trou noirs la vitesse de libération dépasse la vitesse de la lumière : pour être libérée, la balle devrait aller plus vite que la lumière. Ceci n’est pas possible et l’objet finira par retomber sur le trou noir quelque soit la vitesse de son élan. La lumière aussi : se déplaçant à la vitesse de la lumière et étant sensibles à la gravitation, elle non plus ne peut pas s’échapper du trou noir.

Comme rien ne sort du trou noir, pas même la lumière, il n’émet pas de rayonnement, ceci non seulement dans le visible, mais également dans toutes les gammes de fréquence électromagnétiques : il n’est pas observable ou transparent : il est noir.

Il est impossible de voir ce qui se passe réellement à l’intérieur, seuls quelques théories pourraient prédire ce qui s’y passe sans pouvoir vérifier, mais il faut savoir que les trous noirs sont des astres aux conditions si extrêmes que les théories actuelles ne fonctionnent plus du tout.

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qwerty wrote:

Un peu comme une balle sur un drap tendu ? Toutes les billes convergent vers elle ?

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Matraqe wrote:

Un trou ET noir ?

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Frank wrote:

Intéressant..

Maintenant, si un photon n'a pas de masse, pourquoi est-il attiré par un trou-noir ? D'après l'eq. de la graviation, on aura F = G*(inf * 0)/r qui donnerait 0 ? Ou alors +inf ?

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Le Hollandais Volant wrote:

@Frank : ton équation est issue de la physique classique (de Newton).
Ici on est en présence de très forts champs gravitationnels : la physique classique ne fonctionne plus, et il faut utiliser la relativité générale.

De plus, le photon n’est pas attiré parce que sa masse est nulle. Il est attiré parce qu’il suit les lignes de l’espace, qui elles pointent tous vers le trou noir.

De plus, la gravitation ne s’applique pas sur un corps qui possède une masse, mais sur un corps qui possède de l’énergie et une impulsion. La masse implique forcément que le corps possède de l’énergie et une impulsion. Mais il existe aussi des corps ayant une énergie et une impulsion sans avoir de masse : le photon fait partie de ceux là.

L’énergie d’un photon = constante de Planck × fréquence de l’onde.
L’impulsion du photon (quantité de mouvement) = vecteur d’onde × vitesse de la lumière ÷ fréquence de l’onde

On voit que pour la lumière, la masse n’intervient pas. C’est pour ça qu’un photon peut transporter de l’énergie sous une forme qui ne demande pas de transport de matière.

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Mithra wrote:

Les trous noirs mon toujours fasciné, content que tu en parle ! Il a tellement de chose que tu peut en parler, comme l'Horizon des événements et les nombreuses théories qui les accompagnent, univers parallèles, ralentissement du temps etc. De quoi faire un paquet d'articles.

Une question, je n'ai jamais vue la raison (ou je l'ai raté, n’étant pas si calé que vous). Pourquoi un trou noir est si massif ?

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Le Hollandais Volant wrote:

@Mithra : oh, c'est juste parce qu'il y a beaucoup matière dans un petit espace, une très grande densité de matière.

Si on comprimait la Terre dans la taille d'une bille, la gravitation sera si concentrée que ce serait un trou noir aussi (sauf que la pression serait trop grande, instable et exploserait)

Dans un trou noir, les masses se comptent en milliers, millions de masses solaires.

Un trou noir ne faisant qu'absorber de la masse, sa taille et sa masse augmentent continuement.

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Paulli wrote:

Il est intéressant de noter que même les équations de la mécanique classique permettent de trouver la distance de l'horizon des événements à son centre de manière assez correcte ( bon ordre de grandeur, voir l'article wikipédia, plus particulièrement le paragraphe sur le rayon).
Et également que, contrairement à ce qui est souvent cru dans le grand public et colporté par les journalistes, le photon a une masse. Il n'a pas de masse au repos. Et donc, en fait, un photon au repos n'existe pas.
Tout cela vient de la différence entre masse gravitationnelle et masse inertielle. Dans la mécanique classique, on considère qu'elles représente la même grandeur et sont constantes. Ce qui n'est pas le cas dans des théories plus poussée, telle la relativité.

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Paulli wrote:

@Paulli : Vous remarquerez que la formule du rayon ne dépend pas de la masse du corps considéré, comme souvent en mécanique ( accélération à la surface de la terre, par exemple )

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Le Hollandais Volant wrote:

@Paulli : heu… si, dans l’article de Wiki : r = 2GM/c² où M = masse du trou noir.

Et également que, contrairement à ce qui est souvent cru dans le grand public et colporté par les journalistes, le photon a une masse. Il n'a pas de masse au repos. Et donc, en fait, un photon au repos n'existe pas.

Je prenais plutôt tout ça dans l’autre sens : le référentiel du photon n’existe pas (ça voudrait dire un référentiel où la vitesse de la lumière est nulle ce qui est contre le postulat de l’absolutisme de la vitesse de la lumière). Du coup il n’est possible de donner une masse au repos à un photon.



Concernant la différence entre les deux types de masses (d’un point de vue classique) : http://lehollandaisvolant.net/science/masse/

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Paulli wrote:

@Le Hollandais Volant : Oui, on parle de la masse du trou noir. Pas du photon/whatever qui devrait s'en échapper.
C'est pour ça que je fais le // avec l'accélération à la surface de la terre. Peu importe la masse du corps considéré, son accélération verticale vers le bas sera identique dans le cas idéal, puisque SigmaF=ma et que la seule force(chute libre idéale) est la graviation GMm/r² et donc GMm/r²=ma, les m de la masse du corps en chute se simplifie et a=9,81 m/s² pour la Terre.

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Paulli wrote:

Hum, ta manière de voir les choses est à mon sens tout à fait justifiée. Mais pour ça il faut comprendre le principe de référentiel différent, ce qui n'est pas toujours évident. Et je tombe dans mon historique sur ceci qui pose bien les choses mais n'est pas vraiment de la vulgarisation. (Pas de masse mais une énergie, c'est pas évident). On me l'a présenté comme ça au début de mes études, et j'ai toujours trouvé que c'était une manière facile et pas complètement incohérente de voir les choses pour le grand public.

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Jean-Jean wrote:

Il semble y avoir une petite erreur à la seconde phrase du troisième paragraphe :

Ces déformations de sont d’autant plus importantes

J'imagine que ça aurait dû être "Ces déformations de l'espace sont d’autant plus importantes"


Très bon article au demeurant ; malgré tout ce que j'avais pu voir/lire sur les trous noirs, je n'avais jamais compris pourquoi la lumière y était aspirée.

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Jean-Do wrote:

Ch'tite erreur en première phrase "ni même la lumière" devrait s'écrire "pas même la lumière"

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blue bubble wrote:

@qwerty : C'est avec ce principe que les satellites d'exploration peuvent se "relancer" pour aller plus loin sans besoins de carburant supplémentaire ou que les télescopes aujourd'hui arrivent a faire des images de galaxies lointaines passant "a travers" des planètes plus proches.

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Le Hollandais Volant wrote:

@Paulli : ah ok, j’ai mal compris de quelle masse tu parlais. En effet, la masse de l’objet qui chute n’importe pas. Ou extrêmement peu… je m’explique.

Car ire que la pomme tombe vers la Terre, c’est aussi dire que la Terre tombe vers la pomme, non ? Puisque les deux corps s’attirent.
Dans ce cas, l’accélération de pesanteur de la pomme doit être calculée, et elle n’est pas nulle dans l’absolue (mais bien trop faible face à la masse de la Terre, c’est vrai).

@Paulli : concernant la masse/énergie d’un corps, je te conseille de regarder ça : https://www.youtube.com/watch?v=Ztc6QPNUqls
C’est assez bien expliquée et montre d’où bien la masse des objets : c’est une certaine forme d’énergie pas si anodine que ça…

@Jean-Jean :
@Jean-Do : Merci, je vais corriger tout ça !

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Petitkoalak wrote:

Hum.. je reste perplexe sur un truc... tu parles de vitesse de libération, ce serait pas plutôt de force de libération, parce qu'à la limite, tout entité qui opposerais à la gravité une force un tout petit plus grande, pourrait sortir de l'attraction terrestre.
De plus j'ai du mal à voir comment cette valeur peut-être calculée sachant que la fusée ne fait qu'accélérer jusqu'à ce que la gravité ait une action négigeable sur la somme des forces appliquées...

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Julien et Nel wrote:

Question intéressante : pense tu que la taille d'un trou noir à une limite ou que celui-ci peut en quelque sorte mourir au bout d'un moment (en gros se détruire de lui même ou finir sa vie comme une étoile, une planète, etc).

Ne serait-il pas possible aussi qu'une partie ressorte, mais d'une autre coté ... ce qui pourrait donner cette question suivante : crois-tu que les trous-noirs peuvent servir de tunnels dimensionnels ou de tunnels entre un point a et un b assez éloigné normalement, mais assez proche grâce au lieu a et b de trou noir qui se rejoignent ou d'une entrée et sortie pour ce trou noir. Et là tu va me dire ... mais purée, je ne sais pas ... mais tu m'as donné mal la tête.

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Paulli wrote:

@Julien et Nel : Que ça soit possible ou pas, les forces de marée sont telles que quoi que ce soit est réduit en ses composants élémentaires avant même d'atteindre l'horizon des événements.
Pour le fait que la pomme attire la Terre, c'est vrai ( action-réaction Newton), mais une pomme d'1/6 kg en face de la terre 6.10^24 kg, c'est très très très faible.

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Le Hollandais Volant wrote:

@Petitkoalak : c’est bien une vitesse. La vitesse à avoir au niveau du sol, dans le cas d’une impulsion de départ (frottements de l’air mis de côté).

Ainsi, si on lance un balle en l’air à une vitesse de 12 km/s, elle aura une vitesse ainsi qu’une attraction de la Terre.

Seulement… au bout de 10 secondes, elle sera à 120 km d’altitude. À ce moment là, elle aura perdu de la vitesse (logique : la seule force qui s’exerce c’est l’attraction de la Terre, qui la ralentie). Mais, comme la balle est éloignée de la surface de la Terre, la force d’attraction est également diminuée (la force diminue linéairement avec le carré de la distance au centre de la Terre).

Du coup, à tout instant, le ralentissement imposé par l’attraction de la Terre est insuffisant pour contrer la vitesse de la balle, et ainsi indéfiniment.

La vitesse de la balle est telle que la diminution de la gravitation (du fait de la distance) compense le ralentissement de balle, à chaque instant.

--

La fusée ce n’est pas pareil : il ne s’agit pas d’une impulsion de départ, mais d’une poussée continue et supérieure à l’attraction Terrestre sans que la vitesse ne soit >11,2 km/s. Si on arrête les réacteurs d’une fusée qui va à moins de 11,2 km/s , elle finira par s’arrêter et retomber.

@Julien et Nel : Un trou noir est tellement dense qu’il attire toute l’énergie (matière, lumière…) environnant. Il est beaucoup beaucoup plus dense qu’une étoile (en fait un trou noir absorbe des étoiles et des galaxies entières). Il ne fait que grossir…

La seule façon que je connaisse pour un trou noir de perdre de la masse, c’est avec le rayonnement de Hawking : une création d’une paire particule-antiparticule pile sur l’horizon des évènements (la création se fait par une densité d’énergie très grande). Les forces de marrée interviennent alors pour séparer les deux anti-particules avant qu’elles ne s’annihilent comme elles l’auraient fait en temps normal).
L’anti-particule a ensuite une probabilité de tomber dans le trou noir, de s’annihiler à l’intérieur et donc de réduire la masse du trou noir, donc son rayon. La particule situé directement sur la surface du trou noir se situe soudainement en dehors (le rayon a diminué, sans que la particule bouge) : si son impulsion est suffisante, elle peut dés lors s’en éloigner et ne jamais revenir.

Concernant les trou de vers, je ne pourrais pas te répondre, je n’en sais pas assez.

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mmn wrote:

C'est fascinant, le trou noir ET ton article !!
Merci beaucoup!
:-)

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minty wrote:

Prenons une boule creuse dont l'intérieur est vide. Si l'on perce la boule, l'air extérieur va immédiatement s'engouffrer dans la boule.

Extrapolons ceci à un trou noir. Pourrions nous associer un trou noir à une sorte de 'vide intersidéral' ? Celui-ci aspirerais tout a proximité jusqu'à atteindre l'équilibre avec l’extérieur et une fois 'plein' il s’arrêterait d’aspirer ?

D'autre questions :

Est-ce qu'un trou noir peut absorber un autre trou noir ou encore une galaxie toute entière ?

Ne serions nous pas dans un trou noir ?

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minty wrote:

Merci pour le lien Picard, je viens de le lire. C'est intéressant et confortant de savoir que d'autres travail sur ce type de scénario.

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oliveur wrote:

La vitesse de libération des trous noirs "au-dessus" de la vitesse de la lumière ?
D'une part je croyais que rien ne pouvait franchir cette limite et d'autre part, nul besoin
d'aller au-delà de la VL, il suffit qu'elle soit égale.
Mais l'objet de mon commentaire n'est pas là : à l'instar de la matière qui s'agglomère, se compresse et change d'état dans les autres corps célestes, qu'advient-il de la lumière, des photons ?
Ces trucs étranges qui oscillent entre matière et énergie...
Si j'en crois la formule E=MC² dans sa version ultra simplifiée, l'énergie devient masse et vice-versa.
Ce pourrait-il que la lumière (ou les photons) deviennent matière ?
(c'est peut-être dans les TN qu'on fabrique les lampes :-)

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Le Hollandais Volant wrote:

@oliveur :

La vitesse de libération des trous noirs "au-dessus" de la vitesse de la lumière ?
D'une part je croyais que rien ne pouvait franchir cette limite et d'autre part, nul besoin
d'aller au-delà de la VL, il suffit qu'elle soit égale.

Qu’est-ce qui empêche un nombre d’être plus quand que la vitesse de la lumière $c$ ?
C’est justement parce que la vitesse de libération est plus grande que rien ne puisse en sortir : rien ne peut aller au delà ce $c$.

Si la vitesse de libération est égale, ça marche aussi, mais cette vitesse de libération étant dépendante à la masse, il suffit d’ajouter de la masse pour augmenter la vitesse de libération.

La taille du trou noir, par exemple, correspond à son horizon des événements. Sur cet horizon, et précisément dessus, la vitesse de libération est égale à la vitesse de la lumière. Ajouter de la masse au trou noir augmente la taille de l’horizon des événements.

Mais il est tout à fait possible d’avoir des situations faisant intervenir des vitesses plus grandes que celles de la lumière. C’est jusque la physique actuelle nous dit qu’aucune particule avérée ne peut atteindre cette vitesse.

Mais l'objet de mon commentaire n'est pas là : à l'instar de la matière qui s'agglomère, se compresse et change d'état dans les autres corps célestes, qu'advient-il de la lumière, des photons ?
Ces trucs étranges qui oscillent entre matière et énergie...
Si j'en crois la formule E=MC² dans sa version ultra simplifiée, l'énergie devient masse et vice-versa.
Ce pourrait-il que la lumière (ou les photons) deviennent matière ?
(c'est peut-être dans les TN qu'on fabrique les lampes :-)

La majeure partie de ce qu’on pèse est dû non pas à la masse des particules, mais à de l’énergie qui se comporte comme de la masse (voir cette vidéo pour comprendre : E=mc² et le boson de Higgs — Science étonnante #46)

De la lumière qui "tombe" dans un trou noir contribue donc bien à augmenter la masse du trou noir.

Par contre, la relation entre la masse et l’énergie étant liée d’un facteur $c^2$ assez grand signifie qu’il faut une énorme quantité de lumière pour être équivalent à un petit bout de masse.

Au passage, il est possible de créer un trou noir en concentrant une quantité gigantesque de lumière au même endroit (l’équivalent de plusieurs galaxies). Ces trous noirs de lumière sont nommés « kugelblitz ».


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