LES
TROUS NOIRS
V
Hypothèses en suspens sur les trous noirs
1) L'évaporation des Trous Noirs
1)Entropie d'un trou noir
Les trous noirs ne sont caractérisés
que par trois grandeurs physiques :
la
masse;
la
charge;
la vitesse de rotation.
Toute matière qui tombe dans un trou noir perd toutes ses caractéristiques,
et notamment son entropie, qui est une mesure du désordre d'un
système. D'après le second
principe de la thermodynamique, l'entropie d'un sytème fermé
ne peut que croître. Ce principe pose de gros problèmes pour
les trous noirs, puisqu'il est, a première vue, violé, étant
donné qu'il fait diminuer l'entropie de l'Univers.
En 1972, Stephen Hawking montre que la surface de l'horizon d'un trou
noir ne peut pas décroître. En particulier, si deux trous
noirs fusionnent entre eux, la surface de l'horizon final ne peut pas
être inférieure à la somme des surface des deux horizons
originaux. Un autre physicien, Jacob Bekenstein, fait alors l'analogie
entre l'horizon qui ne peut que croître et l'entropie. Il propose
d'associer la surface de l'horizon du trou noir à une mesure de
l'entropie de celui ci. Cela a pour but de sauvegarder le second principe
de la thermodynamique. Or, si le trou noir possède une entropie,
il doit aussi posséder une température, et par conséquent,
rayonner de l'énergie suivant un spectre qui dépend de la
température. Mais alors un problème se pose : comment un
trou noir peut-il émettre un rayonnement alors que, par définition,
rien ne peut s'en échapper?
2) Le processus d'extraction de Penrose
Dès la fin des années 60, le physicien Roger Penrose a proposé
un moyen d'extraire de l'énergie d'un trou noir de Kerr. En effet,
à l'intérieur de l'ergosphère, aucun corps ne peut
rester immobile, il est automatiquement entraîné par la rotation
du trou noir.
Cela a pour conséquence qu'il peut exister des énergies
négatives à l'interieur de l'ergosphère. Si une particule
pénètre dans l'ergosphère et se scinde en deux, il
est alors possible qu'une des deux particules ainsi créées
tombe vers le trou noir avec une énergie négative.
Le trou noir rayonne donc de l'énergie, et, de plus, quand la particule
d'énergie négative rentre en contact avec lui, il perd de
la masse (via m = E / c²). Cependant, la probabilité que les
choses se passent ainsi est très faible et cela ne fonctionne que
pour les trous noirs en rotation, les autres ne possédant pas d'ergosphère.
Le problème posé plus haut n'est donc pas encore parfaitement
résolu.
3) Rayonnement de Hawking
Pour expliquer comment un trou noir peut émettre de l'énergie,
il faut comprendre que le vide n'est pas du tout vide.
En effet, des particules (dites virtuelles car elles ne peuvent pas être
observées directement) sont créées en permanence
par paires (une d'énergie positive, l'autre négative pour
respecter la conservation d'énergie) et s'annihilent presque aussitôt.
C'est une des conséquence du principe d'incertitude de la physique
quantique, énoncé par Werner
Heisenberg.
D'après ce principe, on ne peut connaître avec précision
la vitesse d'une particule et sa position : on montre que plus l'une des
mesures est précise (vitesse ou position), plus l'autre est imprécise.
Si le vide était vide, alors on connaîtrait avec précision
la valeur (0) et la variation (0) du champ, ce qui est impossible. Si
une paire de particules est créée près de l'horizon
d'un Trou Noir, il est alors possible que la particule d'énergie
négative soit aspirée par le trou noir, et que celle d'énergie
positive s'échappe : pour un observateur exterieur, la particule
d'énergie positive semblera émise par le trou noir.
Il reste à préciser que l'opération inverse
n'est pas possible, les particules possédant toujours une énergie
positive dans les situations normales.
Plus le trou noir est petit,
et plus la particule d'énergie positive peut s'extraire facilement,
et par conséquent, plus le rayonnement est intense. Cet effet est
totalement négligeable pour les trous noirs de grande masse (stellaires
et galactiques), la température d'un Trou Noir 10 masses solaires
étant de 10^-6 Kelvin. Avec cette température, il faudrait
10^66 ans pour qu'il s'évapore complètement (alors que l'Univers
n'a lui-même que 13,7 milliards d'années...). En revanche,
les trous noirs primordiaux d'un milliard de tonnes devraient avoir une
durée de vie d'environ 15 milliards d'années, soit
à peu près l'âge de l'Univers : ces derniers se sont
donc probablement déjà évaporés. Seuls ceux
de masse légèrement supérieure devraient encore subsister,
en émettant un rayonnement très énergétique
(rayons gamma par exemple). Lorsque ces trous noirs auront perdus la quasi-totalité
de leur masse, leur température atteindra des proportions inimaginables,
et ils finiront leur vie dans une gigantesque explosion.
I Approche des trous noirs selon la théorie de la gravitation universelle de Newton
II Comment se forment les trous noirs
3) Les différentes voies menant aux trous noirs
III Caractéristiques des trous noirs
1) Ralentissement du temps à proximité d'un trou noir
2) Effet Doppler : normal et relativiste
IV Preuves de l'existence des trous noirs
2) Emission de rayons X et rayons gamma
3) Les ondes gravitationnelles
V Hypothèses en suspens
1) Evaporation des trous noirs
2) Trous blancs et trous de ver
VI Relativité Générale
VII Conclusion
VIII Index