On connaît les trous noirs comme des objets cosmique desquels 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. Toute ligne droite passant par un trou noir pointe donc vers son centre sans ressortir de l’autre côté.
C’est un peu comme un bateau pris dans les courants de l’eau : si les courants sont faibles, le bateau est juste dévié, mais parviendra à retrouver son cap. Si le courant est trop fort, par exemple aux abord d’un siphon géant, et si le bateau s’aventure trop près du siphon, alors il arrive un moment où il ne pourra plus en ressortir. Son cap (sa course) passera fatalement par le siphon et c’est la fin du bateau.
Le trou noir, c’est un « siphon gravitationnel » : si l’on s’en approche un peu trop, on ne peut plus s’en défaire et on termine dedans.
En physique relativiste, la gravité ne fait pas qu’attirer la matière : elle déforme l’espace temps.
Reprenons l’exemple du bateau : si le bateau est laissé à la dérive avec les moteurs en marche, il ira tout droit devant lui. Si maintenant il y a des courants marins, sa trajectoire sera modifiée par les courants. Le bateau effectuera une trajectoire courbée même en allant tout droit ! On peut dire que les lignes droites sont déformées par les courants marins, puisque même en allant tout droit, le bateau sera dévié de son cap.
La lumière, elle, elle suit les lignes droites de l’espace-temps : elle va toujours tout droit devant elle.
Or, une étoile massive ou un trou noir, ça déforme l’espace-temps : les lignes de l’espace-temps sont courbées. La lumière, sous cet effet, sera déviée en passant aux abords d’un trou noir.
Pire, dans le cas d’un trou noir, la gravité est si forte et la déformation de l’espace-temps est telle que ce dernier se retrouve aspiré sur lui-même : la lumière qui passe un peu trop près d’un trou noir finit donc également aspiré dans le trou noir…
Mais alors 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 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 sur la Terre est nommée 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 bien-sûr pas possible et l’objet finira donc toujours par retomber dans le trou noir, quelque soit la vitesse de son élan.
Pour la lumière c’est pareil : dans les cas extrêmes, elle est aussi sensible à la gravitation (tout le temps, en fait, mais ça ne se voit que dans les cas extrêmes, pour la raison invoquée plus haut, avec la déformation de l’espace-temps). La lumière se déplaçant seulement à la vitesse de la lumière, elle non plus ne peut pas s’échapper du trou noir.
Comme rien ne sort du trou noir, pas même la lumière, il n’est pas lumineux et donc totalement noir. Ceci non seulement dans le visible, mais également dans toutes les gammes de fréquence électromagnétiques : il est totalement noir (à l’exception du rayonnement de Hawking, mais ça c’est pour un autre article).
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…
