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Lentille gravitationnelle et autres phénomènes

Dossier - Trou noir, dossier introductif
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Résultants, pour la plupart, de l'explosion finale (supernova) d'une étoile très massive, les trous noirs sont parmi les objets astrophysiques les plus captivants. Ce dossier introductif se propose de partir à la découverte du concept de trou noir, et de donner un bref aperçu de leur physique.

  
DossiersTrou noir, dossier introductif
 

L'un des premiers phénomènes prédits par la relativité générale, et qui a fortement contribué à la faire accepter, est celui de déviation de la lumière, également connu sous le nom de lentille gravitationnelle.

© NASA, ESA, M.J. Jee and H. Ford (Johns Hopkins University) - Domaine public

Aux alentours d'un trou noir, le phénomène de lentille gravitationnelle est extrêmement fort, toutefois ce n'est pas le plus important pour témoigner de leur existence. En effet, les trous noirs actifs entourés de grandes quantités de matière sont les plus facilement observables, mais autour de ceux-ci la déviation de la lumière est difficilement mise en évidence étant donnés la présence du disque d'accrétion et la complexité du rayonnement émis.

Illustrations d'un phénomène de lentilles gravitationnelles

Lentille gravitationnelle. © W. Couch/Nasa
Le phénomène de lentille gravitationnelle autour d'un trou noir. © K. Ratnalunga/Nasa

Le décalage vers le rouge

Cependant, il existe un autre phénomène lumineux beaucoup simple à observer près d'un trou noir actif : le décalage vers le rouge. Ce phénomène est dû au fait que le temps dans un espace-temps courbe est « ralenti » par le facteur :

Où vlib est la vitesse de libération en ce point.

Comme l'espace-temps est de plus en plus courbe à l'approche du trou noir, cet effet y est de plus en plus important : on observe un fort décalage de la lumière vers le rouge, appelé décalage gravitationnel. On remarque par ailleurs que le facteur de ralentissement tend vers l'infini quand la vitesse de libération tend vers c, c'est-à-dire à l'approche de l'horizon du trou noir. En première approximation, on peut donc dire que l'horizon d'un trou noir actif paraît « bordé de rouge ».

Toutefois, il a déjà été dit que le rayonnement électromagnétique important des trous noirs actifs résulte de l'échauffement des gaz et poussières constituant le disque d'accrétion (lesquels peuvent atteindre des vitesses de près de 1/3 de la vitesse de la lumière). Or, ce rayonnement est avant tout émis dans les gammes X et gamma.

Le phénomène des marées

Un autre phénomène majeur à proximité des trous noirs est le phénomène de marées. Un trou noir est en effet tellement compact que la différence d'accélération gravitationnelle entre deux points peut induire une force de marée qui tend à étirer les objets passant à proximité de l'horizon. Une étoile peut être ainsi disloquée en approchant d'un trou noir, libérant une grande quantité de gaz qui ira alimenter le disque d'accrétion. La force de marée est donnée par l'équation.

Où h est la longueur radiale de l'objet considéré.