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Trou noir, lumière et vitesse de libération

Dossier - Quasar : l'énigme des quasars
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Les quasars, ces astres extrêmement lumineux et lointains, sont identifiés : nous savons que ce sont des noyaux de galaxies très brillants. Leur nom signifie « quasi étoile ». Ils sont lointains, compacts et pleins d’énergie. Le dévoilement de leur mystère représente une magnifique page dans le livre des découvertes de l’astrophysique.

  
DossiersQuasar : l'énigme des quasars
 

Le trou noir est, en fait, le contraire d'un trou : c'est un corps compact, tellement compact qu'il ne permet pas à la lumière de s'échapper, tandis qu'un trou, au sens où on l'entend habituellement, est plutôt ce qui permet à la lumière de passer.

Pour avancer dans la définition du trou noir, nous dirons qu'il permet à la lumière de le pénétrer, mais qu'il lui interdit de ressortir ! Bref, qu'il se comporte en véritable geôlier...

Un quasar situé à environ 6 milliards d'années lumière de la Terre. © Rayons X : Nasa/CXC/Univ of Michigan/R. C. Reis et al ; optique : Nasa/STScI

L'idée du trou noir ne date pas d'hier, elle a eu ses précurseurs, à la fin du XVIIIe siècle, avec Pierre-Simon de Laplace, en France, ou le révérend John Mitchell, à Londres. La vitesse de libération étant la vitesse qu'il faut acquérir pour échapper à l'attraction gravitationnelle d'un corps, si cette vitesse dépasse la vitesse de la lumière, la lumière elle-même se retrouve piégée sur ce corps, incapable d'échapper à sa gravitation, ce qui signifie que le corps en question ne pourra être visible de l'extérieur.

Rien n'échappe au trou noir, ni matière, ni même la lumière. L'existence de ces objets célestes compacts est aujourd’hui reconnue par la quasi totalité de la communauté scientifique. Malgré tout, ils restent empreints de mystère. Unisciel et l’université de Lille 1 nous dévoilent, avec le programme Kézako, les surprenant secrets de ces astres. © Unisciel

Énergie et masse

Prenons l'exemple du Soleil. Si nous pouvions le faire tenir dans une sphère de moins de 3 km de diamètre, sa densité serait telle (et donc la force de gravitation à sa surface) qu'il deviendrait complètement invisible. À sa surface, la lumière serait finalement « trop lourde » pour se libérer de son emprise. La Terre serait alors plongée dans l'obscurité totale. La masse du Soleil continuerait à agir à distance et notre planète effectuerait, comme si de rien n'était, sa révolution annuelle autour du Soleil. Les hommes observant ce mouvement pourraient en déduire, sans le voir, l'existence d'un soleil obscur, et calculer sa masse à l'aide des lois de Newton.

Un anneau d'Einstein près d'un trou noir. © Alain R. Wikipédia

L'apport ultérieur d'Einstein a été de montrer comment énergie et masse pouvaient se concevoir de manière équivalente. L'énergie transportée par la lumière peut subir l'attraction gravitationnelle et être soumise à ses lois. La lumière « pèse ». Un tel objet cesse alors d'être visible : on a affaire à un trou noir. En d'autres termes, elle peut interagir avec le champ gravitationnel.