Qu'est-ce qu'un trou noir? Qu'est-ce que l'horizon des événements?

Question: Qu'est-ce qu'un trou noir?

Qu'est-ce qu'un trou noir? Quand se forment les trous noirs? Les scientifiques peuvent-ils voir un trou noir? Quel est «l'horizon des événements» d'un trou noir?

Répondre: Un trou noir est une entité théorique prédite par les équations de relativité générale. Un trou noir se forme lorsqu'une étoile de masse suffisante subit un effondrement gravitationnel, avec la majeure partie ou la totalité de sa masse comprimé dans une zone suffisamment petite de l'espace, provoquant une courbure d'espace-temps infinie à ce point (un "singularité"). Une telle courbure spatio-temporelle massive ne permet à rien, pas même à la lumière, de s'échapper de «l'horizon des événements» ou de la frontière.

Les trous noirs n'ont jamais été directement observés, bien que les prédictions de leurs effets correspondent aux observations. Il existe une poignée de théories alternatives, telles que les objets magnétosphériques à effondrement éternel (MECO), pour expliquer ces observations, dont la plupart évitent l'espace-temps singularité au centre du trou noir, mais la grande majorité des physiciens pensent que l'explication du trou noir est la représentation physique la plus probable de ce qui est Prendre place.

Dans les années 1700, certains ont proposé qu'un objet supermassif puisse y éclairer. L'optique newtonienne était une théorie corpusculaire de la lumière, traitant la lumière comme des particules.

John Michell a publié un article en 1784 prédisant qu'un objet avec un rayon 500 fois celui du soleil (mais la même densité) aurait une vitesse d'échappement de la vitesse de la lumière à sa surface, et donc être invisible. Cependant, l'intérêt pour la théorie est mort dans les années 1900, alors que la théorie des ondes de la lumière prenait de l'importance.

Lorsqu'elles sont rarement référencées dans la physique moderne, ces entités théoriques sont appelées "étoiles sombres" pour les distinguer des vrais trous noirs.

Quelques mois après la publication d'Einstein de la relativité générale en 1916, le physicien Karl Schwartzchild a produit une solution à l'équation d'Einstein pour une masse sphérique (appelée Métrique de Schwartzchild)... avec des résultats inattendus.

Le terme exprimant le rayon avait une caractéristique inquiétante. Il semblait que pour un certain rayon, le dénominateur du terme deviendrait nul, ce qui ferait "exploser" mathématiquement le terme. Ce rayon, appelé Rayon de Schwartzchild, r_s, est défini comme:

r_s = 2 GM/ c²

g est la constante gravitationnelle, M est la masse, et c est la vitesse de la lumière.

Puisque le travail de Schwartzchild s'est avéré crucial pour comprendre les trous noirs, c'est une étrange coïncidence que le nom Schwartzchild se traduit par «bouclier noir».

Un objet dont toute la masse M repose dans r_s est considéré comme un trou noir. Horizon de l'événement est le nom donné à r_s, car à partir de ce rayon, la vitesse d'échappement de la gravité du trou noir est la vitesse de la lumière. Trous noirs attirer la masse par les forces gravitationnelles, mais aucune de ces masses ne pourra jamais s'échapper.

Un trou noir est souvent expliqué en termes d'objet ou de masse «tombant dedans».

Y montres X tombent dans un trou noir

• Y observe des horloges idéalisées sur X ralentir, se figeant dans le temps quand X frappe r_s
• Y observe la lumière de X redshift, atteignant l'infini à r_s (ainsi X devient invisible - pourtant nous pouvons toujours voir leurs horloges. N'est-ce pas physique théorique grandiose?)
• X perçoit un changement notable, en théorie, bien qu'une fois qu'il passe r_s il lui est impossible de jamais s'échapper de la gravité du trou noir. (Même la lumière ne peut pas s'échapper de l'horizon des événements.)

Dans les années 1920, les physiciens Subrahmanyan Chandrasekhar ont déduit que toute étoile plus massive que 1,44 masse solaire (la Limite de Chadrasekhar) doit s'effondrer sous la relativité générale. Le physicien Arthur Eddington pensait qu'une propriété empêcherait l'effondrement. Les deux avaient raison, à leur manière.

Robert Oppenheimer prédit en 1939 qu'une étoile supermassive pourrait s'effondrer, formant ainsi une "étoile gelée" dans la nature, plutôt que simplement en mathématiques. L'effondrement semblerait ralentir, gelant en fait dans le temps au point qu'il traverse r_s. La lumière de l'étoile subirait une lourde redshift à r_s.

Malheureusement, de nombreux physiciens considéraient que cela n’était qu’une caractéristique de la nature hautement symétrique du Schwartzchild métrique, estimant que dans la nature un tel effondrement ne se produirait pas réellement en raison de asymétries.

Ce n'est qu'en 1967 - près de 50 ans après la découverte de r_s - que les physiciens Stephen Hawking et Roger Penrose a montré que non seulement les trous noirs étaient le résultat direct de la relativité générale, mais aussi qu'il n'y avait aucun moyen d'arrêter un tel effondrement. La découverte des pulsars a soutenu cette théorie et, peu de temps après, le physicien John Wheeler a inventé le terme «trou noir» pour le phénomène dans une conférence du 29 décembre 1967.

Les travaux ultérieurs ont inclus la découverte de Rayonnement Hawking, dans lequel les trous noirs peuvent émettre un rayonnement.

Les trous noirs sont un domaine qui attire les théoriciens et les expérimentateurs qui veulent un défi. Aujourd'hui, il existe un accord presque universel sur l'existence de trous noirs, bien que leur nature exacte soit toujours en question. Certains croient que le matériau qui tombe dans les trous noirs peut réapparaître ailleurs dans l'univers, comme dans le cas d'un trou de ver.

Un ajout important à la théorie des trous noirs est celui de Rayonnement Hawking, développé par un physicien britannique Stephen Hawking en 1974.