Effets des trous noirs sur l'espace-temps
Nous savons que la densité de la matière stellaire peut atteindre, sous l’effet de la pression gravitationnelle, des densités gigantesques. Pour les plus grosses étoiles cette densité peut atteindre une valeur seuil pour laquelle les géodésiques d’espace-temps autour de l’étoile se referment sur elles-mêmes. Les rayons lumineux émis par l’astre parcourent alors indéfiniment une boucle fermée sans jamais pouvoir s’échapper d’une certaine distance de l’étoile, appelée l’horizon. Un trou noir est né !
A l'instar du modèle classique de Laplace ( cf. Espace-temps ), un trou noir relativiste présente un rayon critique - le rayon de Schwarzschild - qui détermine le seuil en deçà duquel l'astre n'émet plus de lumière. L'interprétation physique de ce rayon critique est toutefois très différente de celle de Laplace. Lorsque le rayon de l'astre est inférieur à son rayon de Schwarzschild, la courbure de l'espace-temps environnant est telle que les géodésiques se referment sur elles-mêmes, empêchant ainsi la lumière de se libérer du champ gravitationnel de l'astre.
Rayon lumineux piégé dans un trou noir. La géodésique qu’il parcourt se referme sur elle-même.
Illustration schématique de la déformation de l’espace-temps provoquée par différents types d’étoiles et par un trou noir.
En fait, les effets de la courbure de l'espace-temps à la périphérie d'un trou noir se font ressentir avant la valeur du rayon critique. Quand le rayon d'une l'étoile atteint une valeur 1,5 fois supérieure à celle de son rayon de Schwarzschild, les rayons lumineux émis à sa surface restent prisonniers dans une géodésique fermée.
Supposons maintenant que l'on envoie en direction d'un trou noir une sonde spatiale émettant un signal périodique, un bip par seconde par exemple. Plus la sonde va se rapprocher du trou noir et plus la fréquence du signal émis par la sonde va sembler décroître au point de s'annuler lorsque celle-ci atteint le rayon de Schwarzschild. En d'autres termes, plus aucun signal ne va nous parvenir de la sonde car chaque bip va mettre un temps infini pour franchir le rayon critique. Ce phénomène, inexistant dans le modèle de Laplace, s'explique par le fait qu'un champ de gravitation étire les durées. Des expériences réalisées avec des horloges très précises ont permis de mettre en évidence une telle différence de l'écoulement du temps entre un observateur situé sur le sol terrestre et un autre se trouvant dans un avion volant à haute altitude. Le rayon de Schwarzschild d'un trou noir délimite donc une région de l'espace où l'écoulement du temps devient infini. Pour cette raison les physiciens appellent cette limite l'horizon des événements : en deçà du rayon critique, les événements ne sont plus visibles de l'extérieur du trou noir.
Autre exemple plus concret: imaginons que nous descendions toute une cuisine très près d'un trou noir. Une pièce entière se balance à l'extrémité d'une corde. Et dans cette pièce, il ya un homme. Nous nous proposons d'étudier ses déplacements à travers une paire de jumelles.
Le spectacle qui s'offre à nous se déroule dans un pénombre anormale. Les couleurs aussi sont bizarres. Cette pièce est éclairée par des lampes éléctriques ordinaires, mais elles ne semblent pas très bien fonctionner. Elles ne donnent plus une lumière jaune brillante et réconfortante, mais une vague lueur rougeâtre. Et dans cette pénombre éttoufante l'homme se dirige vers l'évier. Il tient une casserole à la main.
Il se déplace très lentement. Chaque pas lui prend un temps infini. Finalement, il atteint l'évier. D'un geste interminable, il parvient à ouvrir l'eau. Elle s'écoule avec une lenteur lugubre. Elle coule comme de la mélasse.
Tout ce que l'on voit fait penser à un film pris au ralenti. La casserole met trop de temps pour se remplir. Et il semble qu'il faille un temps infini pour que l'eau se mette à bouillir.Lentement, il place un oeuf au fond de la casserole. Le minuteur est mis en marche. Il doit avoir quelque chose de détraqué, car il marche trop lentement. Alors que cinq bonnes minutes se sont écoulées sur notre montre, il n'a avancé que d'une minute. L'homme s'assoit et lit un journal. Dix minutes s'écoulent pour nous, puis quinze. Il ne bouge toujours pas. Finalement, la minuterie résonne. L'homme retire l'oeuf de la casserole et le casse. L'oeuf est bien à la coque.
Ce ne sont pas les événements qui sont ralentis. C'est le temps.L'homme se déplaçait d'un pas tout ce qu'il y a de plus normal. Seulement près d'un trou noir, le temps passe plus lentement. Il s'ecoule plus lentement que dans une région éloignée du trou noir. Plus le champ de gravitation est intense, plus l'écoulement du temps est ralenti.
Cela explique aussi la couleur rouge de la lumière qui éclairait la pièce.La sensation physiologique de la couleur est déclenchée par une onde lumineuse d'une certaine fréquence : plus basse est cette fréquence, plus rouge la lumière est perçue.
Aussi longtemps que nous ne changons pas de place et que nous limitons notre attention aux objets qui sont autour de nous, il ne nous apparaît rien d'extraordinaire. Nous penserions que le temps s'écoule à sa vitesse habituelle. Cela reste vrai quelle que soit mon altitude au-dessus du trou noir. Glissons le long de la corde pour retrouver l'homme dans sa cuisine : une fois avec lui, tout ce qui de loin nous avait paru étrange disparaît. Nous ne remarquerions rien d'anormal dans le déroulement des événements. Les objets y pèsent un bon poids, c'est sûr, et les trajectoires des rayons lumineux y sont incurvéses, mais le temps n'y est certainement pas modifié.
Si nous regardons vers le haut, loin du trou noir, nous voyons exactement le contraire. Nous voyons les événements se produire beaucoup trop rapidement. Plus nous descendons vers l'horizon du trou, plus les événements semblent se dérouler rapidement au-dessus de nous.
Conclusion
Ainsi, la gravitation engendrée par un trou noir donne lieu à une courbure de l'espace-temps; les durées s'allongent lorsqu'on s'approche de l'astre et la lumière ne peut plus s' "échapper" après un rayon critique, le rayon de Schwarzchild. De nous jour, plusieurs trous noirs ont été decouvert grâce aux rayons X qu'ils émettent ou grâce à un effet de lentille gravitationel ou encore en observant leurs disques d'accrétion. D'autres hypothéses ont été emises sur les trous noirs notamment l'existence de trous blancs qui sont l'opposé des trous noirs. En effet, ceux-ci émettent constamment de la lumière, et à l'instar des trous noir rien ne peut entrer dans un trou blanc. Le trou blanc est un jaillisement de matiére et d'énergie, une source qui crée de la matiére nouvelle et la vomit dans l'univers. Ce lien entre un trou blanc et un trou noir est un trou de ver . Par ce llien ou ce pont certains émettent l'hypothése de voyage dans le temps ou entre univers parallélles. Dans tous les cas, les découvertes concernants les trous noirs ne sont pas terminés.
