III
Caractéristiques des trous noirs
3) Structure d'un trou noir
3.1. Trou noir statique, dit de Schwarzschild
C'est le modèle de Trous Noirs le plus simple, idéalisé, qui n'existe certainement pas dans l'Univers, mais qui permet aux astrophysiciens d'aborder les concepts de la manière la plus facile. De fait, il n'est caractérisé que par sa masse (sa rotation et sa charge étant nulles) ; ce qui a pour conséquence que 2 trous noirs de masse égale seront strictement identiques. On peut en faire le schéma suivant :
Explications : qu'est-ce que c'est que tout ça?
La sphère des photons :
elle a pour rayon 3/2 du rayon de Schwarzschild. Elle correspond à
l'altitude de satellisation de la lumière : autour d'un corps
massique, un objet quelconque peut se satelliser pourvu qu'il ait la vitesse
nécessaire, qui dépend de son altitude : plus il est
bas, plus il doit tourner vite. Autour d'un trou noir, la gravité
est telle qu'il existe une altitude où la vitesse de satellisation
est égale à celle de la lumière, d'où son
nom : sphère des photons. Seuls ceux-ci, en effet, peuvent
se propager à une telle vitesse et ainsi orbiter à une telle
altitude.
L'horizon
des événements : c'est la « frontière »
du trou noir, la limite au-delà de laquelle rien, pas même
la lumière, ne peut échapper à son attraction gravitationnelle.
Sa distance à la singularité est le Rayon
de Schwarzschild ; tout corps qui franchit cette limite est condamné
à heurter la singularité.
La
singularité : lors de la création d'un trou
noir (cf. Formation des Trous
Noirs), toute la matière de l'étoile morte s'effondre
sur elle-même jusqu'à n'être plus qu'un point, en théorie
de volume nul et de densité infinie : on appelle ce point
singularité. Les équations de la Relativité Générale
n'y sont plus valables, car la courbure spatio-temporelle y est infinie.
3.2. Trou noir chargé, dit de Reisser-Nordström
Ce type de trou noir, s'il est étudié comme modèle théorique de la même manière que les trous noirs de Schwarzschild, n'a une existence réelle que grandement hypothétique : en effet, l'étoile qui lui aurait donné naissance aurait dû être chargée électriquement, ce qui semble peu probable. Sa particularité est de posséder une charge électrique ; sa configuration en est modifiée selon le schéma suivant :
Explications :
Sphère des photons : non
représentée ici dans un souci de clarté, elle est
identique à celle du modèle de Schwarzschild.
Horizon intérieur : il est sur ce type de trous noirs
de rayon inférieur au Rayon de Schwarzschild. On l'appelle également
horizon de Cauchy
Singularité : ce type
de trous noirs permettrait d'éviter une singularité nue,
c'est-à-dire de volume réellement nul et de densité
infinie, ce qui semble difficile à admettre en physique.
3.3. Trou noir en rotation, dit de Kerr
C'est le modèle le plus réaliste, et, malheureusement, le
plus compliqué. L'étoile qui lui aurait donné naissance
était en rotation, ce qui est le cas de pratiquement tous les objets
stellaires.
Il doit son nom au mathématicien néo-zélandais Roy
Kerr, qui le premier, en 1963, a résolu les équations
de la Relativité Générale au voisinage d'une masse
en rotation.
La résolution de celles-ci fait apparaître un phénomène
étrange : aux alentours d'un Trou Noir l'espace-temps lui-même,
déformé par la masse, est entraîné en rotation.
Ce type de trou noir a en fait deux sphères de photons (qui sont en réalité des ellipsoïdes) : en effet, la vitesse de satellisation d'un photon est moins élevée quand son orbite suit le sens de rotation du trou noir que quand il suit une trajectoire de sens inverse. La « sphère des photons corotative » est donc plus proche de la singularité que ne l'est la « sphère des photons contrarotative » où les photons circulent en sens inverse de la rotation du Trou Noir.
Voyons quelles sont les caractéristique d'un trou noir de Kerr :
Explications :
limite statique : c'est l'endroit
limite en-deçà duquel rien ne peut rester immobile, même
en se déplaçant à la vitesse de la lumière.
ergosphère : c'est la zone entre la limite statique
et l'horizon extérieur.
Les
deux horizons sont identiques à celui du trou noir chargé
La singularité : ce type de modèle évite
lui aussi la singularité nue ; ici, elle posséderait
la forme d'un anneau.
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