Les trous noirs

Or cette courbure de l’espace-temps, c'est-à-dire cette déformation locale de l’espace et du temps au voisinage des grandes masses, atteint ses extrêmes avec le concept de trou noir. En effet, je vous disais que plus un corps est massif, plus il va déformer le tissu élastique de l’espace temps. Alors, imaginez un corps tellement massif et dense qu'il va imprimer un creux extrêmement profond au tissu élastique de l’espace temps.

Je peux pas le faire là-dessus parce que je l'abîmerais...Mais grosso modo ça reviendrait à faire ça.

Voilà l'effet que causerait un trou noir sur le tissu élastique de l’espace-temps, c'est-à-dire un puit si profond que plus rien ne peut s'échapper.

Vous voyez que les trajectoires des rayons lumineux, qui sont toujours la trame de ce tissu, sont effectivement capturés au fond de ce trou et ne peuvent plus ressortir. C’est le concept de trou noir, qui au début a été effectivement un concept théorique de la relativité générale et qui peut….., après ce concept s’est élaboré ultérieurement, et les trous noirs ont été découverts après dans le ciel sous forme d’astres tout à fait extraordinaires. Alors, donc, je vais vous dire quelques mots, tout de même, des trous noirs, parce que c'est l'une des prévisions les plus fascinantes de la relativité qui porte directement sur l’espace-temps parce que les trous noirs ont causé des déformations extrêmement importantes de l’espace, en vous introduisant une diapositive.

Avant de vous introduire aux représentations réellement scientifiques des trous noirs, une représentation métaphorique du trou noir illustrant un petit peu, si vous voulez, cette histoire de tissu élastique. Vous avez, peut-être, l’impression ici que ce damier qui représenterait l’espace-temps est incurvé par la masse qui est là-bas au fond: en fait, en réalité il n’est pas incurvé, ce sont réellement des lignes droites et ces sont des effets de distorsion de la perspective qui donne cette illusion de damier incurvé. C’est une certaine métaphore du trou noir et notamment également l'intrusion de la théorie de la mécanique quantique dans la structure de l’espace temps, dont je vous parlerai plus tard, sous forme donc de cette chute de dés au fond de ce trou noir.

Alors, passons donc à une représentation moins métaphorique du trou noir, qui va être la suivante.

Je vais pas décrire les propriétés physiques des trous noirs, parce que cela nous emmènerait trop loin, mais simplement vous parler des illusions d'optiques sur la perception de l’espace qui sont associées aux trous noirs. Alors là je ne vous montre pas un trou noir, bien entendu. Je vous montre la planète Saturne que vous avez évidemment tous reconnue. Alors, pourquoi la planète Saturne? La planète Saturne présente cette particularité d’être entourée d’un très bel anneau. Alors il faut bien se dire que lorsqu’on regarde la planète Saturne dans un télescope, l’espace entre la planète Saturne et nous, il est quasiment vide de matière, même s'il y a une planète qui passe entre les deux, autrement dit, l’espace est plat, c'est-à-dire les rayons lumineux nous parviennent en ligne droite. Et donc c’est pour ça que l’image de la planète Saturne devient, on observe bien, un disque entouré d’un ensemble d'ellipses, parce que c’est comme ça qu’on voit un cercle, les anneaux son circulaires, on les voit en projection et on voit des ellipses.

Question: à la place de la planète Saturne on met par exemple un trou noir et on imagine que ce trou noir est entouré d'un disque de gaz brillant. …..Alors c'est pas une idée totalement  farfelue, c'est même une idée extrêmement pertinente parce que on pense effectivement que les trous noirs, ça existe notamment dans des systèmes d'étoiles doubles (deux étoiles très proches l'une de l'autre dont l'un des compagnons est un trou noir), et le trou noir, par son attraction gravitationnelle extrêmement intense, capture peu à peu le gaz, l’enveloppe extérieure de l’étoile-compagnon et le gaz s'enroule autour du trou noir, en une sorte de tourbillon, et va se mettre dans un disque aplati qui va émettre des rayonnements. Donc il est tout à fait naturel de supposer qu'effectivement un trou noir puisse être entourée d’une structure gazeuse brillante.

Alors donc ç'a été l'un de mes premiers travaux de recherche, que j'ai fait il y a une quinzaine d’années dans le cadre du CNRS. C'était de calculer, par l’ordinateur, bien entendu, parce que l'observation directe ne donne pas accès directement aux trous noirs, donc le premier travail que j'ai fait, ç'a été de calculer sur ordinateur, quelle pourrait être l’apparence d’un trou noir entouré d’un anneau brillant en tenant compte évidemment de toutes les déformations de l’espace et du temps associées au trou noir.

Alors le résultat intermédiaire, afin de vous montrer une image plus réaliste, c'est le suivant, voilà à quoi ressemblerait, en première approximation donc, le trou noir entouré de son anneau, c'est cette sorte de champignon bizarre qui s’explique de la façon suivante: alors, vous voyez donc effectivement les anneaux, normalement circulaires autour du trou noir, ne présentent plus du tout la forme d’ellipse. Alors notamment regardez la forme ici des anneaux supérieurs et bien la forme extrêmement tordue et vous voyez que, notamment, il n’y a pas de partie cachée derrière le trou noir. Alors qu'évidemment, dans le cas de Saturne, il y a une partie des anneaux de Saturne qui sont cachés derrière le disque de Saturne. Alors pourquoi? Beh, c’est toujours en raisons de la déviation des rayons lumineux. Alors ceci c'est une sorte de schéma qui explique le trajet des rayons lumineux: ici on voit le système de côté, le trou noir, le disque de gaz mince vu par la penche et par exemple dans les images émises par l'arrière, au lieu d’aller en ligne droite, elles sont incurvées par la chambre gravitationnelle, elles sont infléchies, donc elles remontent comme ceci et donc elles peuvent parvenir à l’observateur lointain qui met sa plaque photographique. Et c’est pour ça que la totalité du dessus du disque est observée, même si normalement dans l’espace plat elle aurait été cachée; les images d'arrière sont relevées et on voit la totalité du dessous du disque.

Mais encore, beaucoup plus fort, non seulement on voit le dessus mais on voit simultanément le dessous du disque. Parce que, en effet, les rayons lumineux, qui normalement partiraient par en bas, évidemment ne parviendraient jamais à un observateur situé ici, toujours à cause du champs gravitationnel extrêmement intense sont déviés et sont ramenés dans cette direction là et donnent une image, dite secondaire, qui est, en fait, l’image du dessous du disque de gaz.

Alors maintenant on peut essayer de calculer une image plus réaliste qui tient compte, non seulement cette fois-ci de ces déformations optiques, ce sont des sortes d'illusion d'optique, causées par la nature courbe de l’espace-temps autour des trous noirs, mais également tenant compte notamment de la température du disque qui va donner lieu à des régions plus ou moins brillantes. Et cette photographie, qui est en fait une photographie simulée par ordinateur d’un trou noir entouré d’un disque de gaz mince est la suivante:

... on voit donc, autour de cette sorte d'œil noir central, une structure gazeuse brillante, avec des régions plus brillantes que d’autres: alors ça c'est le dessus du disque de gaz et ici, vous voyez, dans cette petite couronne, c'est un morceau du dessous que vous voyez simultanément avec le dessus et s'il y a des régions plus brillantes que d’autres, c'est en raison de ce que l’on appelle l'effet doppler, vous savez l'effet doppler c'est l'effet qui amplifie les fréquences reçues pour une source qui s’avance et qui les diminuent pour une source qui s’éloigne et, comme le disque de gaz tourne autour du trou noir et bien dans la partie qui s’avance vers nous le flux lumineux est amplifié et dans la partie qui s’éloigne le flux est diminué.