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1 Un trou noir est une région de l'espace dotée d'un champ gravitationnel si fort qu'aucun corps ni aucun rayonnement ne peut s'en échapper.cette région à une limite sphérique appelée horizon, ou surface du trou noir, que la lumière peut traverser sans pouvoir en sortir. Ainsi, cette région apparaît noire. Un tel champ peut être créé par un corps de haute densité et de masse relativement petite (égale ou inférieure à celle du Soleil) comprimée dans un volume très petit, ou bien par un corps de faible densité et de masse très importante. L'existence des trous noirs fut prédite en 1916 par l'astronome allemand Karl Schwarzschild, sur la base de la théorie de la relativité générale. La notion classique d'espacetemps n'a plus de signification à proximité d'un trou noir. Un corps ou un rayonnement qui pénètre dans un trou noir ne peut théoriquement plus en sortir en raison de la force gravitationnelle considérable du trou noir. Ainsi, un trou noir déforme la structure de l'espacetemps dans son voisinage. On peut comparer cette déformation de l'espace à celle que produirait un tourbillon, dont le centre serait le trou noir. Les propriétés des trous noirs sont extraordinaires. Un trou noir stationnaire est complètement défini par trois paramètres : sa charge électrique, sa masse et son moment cinétique. Un trou noir possède une masse finie, mais, dans le cadre de la relativité générale, toute cette masse est concentrée en un point, appelé singularité gravitationnelle, où la densité

2 est infinie. Cette masse détermine une distance maximum en dessous de laquelle le trou noir empêche tout rayonnement de s'échapper ; la sphère résultante est appelée horizon du trou noir. À une distance interstellaire, un trou noir n'exerce pas plus d'attraction que n'importe quel autre corps de même masse ; il ne s'agit donc pas d'un «aspirateur» irrésistible. Lorsque les gaz et les poussières interstellaires d'une nébuleuse se contractent (1), il se forme une protoétoile qui laisse échapper des jets de matière. Celle-ci continue à se condenser par gravitation, tout en s'échauffant. Lorsque la température au centre de la protoétoile atteint 10 millions de degrés, des réactions nucléaires se produisent (2) : une étoile est née. Puis l'enveloppe de l'astre subit une expansion et un échauffement (3), ce qui conduit à la formation d'une géante rouge, de diamètre égal à 10 à 100 fois celui du Soleil. L'évolution de la géante rouge dépend de sa masse : -Si celle-ci est inférieure à 1,4 fois celle du Soleil, l'astre devient instable : il éjecte ses couches extérieures dans l'espace (5), créant une nébuleuse planétaire. Puis l'étoile se contracte à nouveau (6) : il se forme une naine blanche, astre de la taille de la Terre. Cette petite étoile se refroidit, donnant naissance à une naine noire, trop froide pour briller. -Si la géante rouge est une étoile massive, elle fabrique des éléments lourds, tels que le fer ; elle grossit (4) et devient une supergéante. Puis elle explose et sa matière est libérée dans l'espace. Si c'est l'astre entier qui explose (8), il évolue vers une supernova ; si c'est seulement la partie externe qui est impliquée (7), il y a formation d'une nova. Selon sa masse, la supernova donne naissance à une étoile à neutron (9) ou à un trou noir (10), lorsque le cœur de l'astre qui a explosé présente une masse suffisamment élevée.

3 L'un des objectifs de nombreux astrophysiciens est la mise en évidence des trous noirs. En effet, ces derniers sont invisibles, car ils retiennent la lumière. Cependant, on peut détecter indirectement un trou noir par l'attraction gravitationnelle et les effets électriques qu'il exerce sur les astres environnants. Par exemple, les astronomes ont découvert une source de rayons X dans la constellation du Cygne, Cygnus X-1, associée à un système stellaire binaire dont la composante connue est une supergéante bleue. Il semble que celle-ci tourne autour d'un compagnon invisible, dont la masse atteint dix fois celle du Soleil. Ce compagnon n'est donc pas une étoile à neutrons ; il s'agit probablement d'un trou noir. Les rayons X observés sont émis lorsque le trou noir aspire l'enveloppe gazeuse du compagnon stellaire. Il semblerait également qu'une source de rayons X située dans une galaxie voisine de la nôtre, le Grand Nuage de Magellan, et qu'une autre source de rayons X située dans la constellation de la Licorne soient également des trous noirs. D'après de nombreux astrophysiciens, les noyaux des plus grandes galaxies contiendraient des trous noirs dont la masse pourrait atteindre dix milliards de fois celle du Soleil. Ces trous noirs constitueraient des quasars. En 1994, le télescope spatial Hubble découvrit l'existence d'un trou noir au centre de la galaxie M87. L'accélération élevée des gaz dans cette région indique en effet la présence d'un corps ou d'un groupe de corps dont la masse totale est comprise entre 2,5 millions et 3,5 milliards de fois la masse du Soleil. D'après le physicien britannique Stephen Hawking, de nombreux trous noirs seraient apparus lors de la formation de l'univers. S'il en est ainsi, la plupart de ces trous noirs sont trop éloignés de toute matière pour pouvoir former des disques d'accrétion décelables ; cependant, ils représenteraient une portion significative de la masse totale de l'univers. Hawking a également supposé que les trous noirs forment des «couloirs d'échappement» vers d'autres univers distincts du nôtre.

4 La petitesse d un trou noir stellaire (quelques kilomètres) rend son observation directe impossible. À titre d exemple, et aurait un diamètre de 0,1 micro seconde d arc. Cependant, la situation est plus favorable pour un même si la taille d'un trou noir est plus grande que celle d'un objet classique, un trou noir d une masse solaire et situé à environ 3,26 années-lumière trou noir supermassif. En effet, la taille d un trou noir est proportionnelle à sa masse. Le trou noir du centre galactique a une masse, bien estimée, d environ 2,6 millions de masses solaires. Son est donc d environ 7 millions de kilomètres. La taille de ce trou noir, située à environ 8,5 kiloparsecs (un parsecs = 3,26 années lumières) est de l ordre de 30 microsecondes d arc. Cette résolution est inaccessible dans le domaine visible, mais est assez proche des limites actuellement atteignables en interférométrie radio. La technique de l interférométrie radio est limitée au domaine millimétrique. L imagerie directe du trou noir du centre galactique est donc envisageable dans les années qui viennent. Le trou noir supermassif situé au centre de la galaxie M87 est environ 2000 fois plus éloigné mais estimé près de 1300 fois plus massif. Ce trou noir pourrait ainsi devenir le second trou noir imagé après celui de la Voie Lactée 1718.

5 On envisage la production de minis trous noirs par collisions de protons dans le prochain accélérateur de particules LHC (Large Hadron Collider à Genève, on dit collisionneur maintenant car on fait entrer en collision des particules accélérées en sens contraire. Les hadrons sont des particules sensibles à l'interaction forte, comme les protons, les neutrons ou les mésons). Ce serait passer un seuil, une nouvelle frontière, la dernière peutêtre, mais il faut souligner du même coup les incertitudes de l'expérience, en particulier l'impossibilité d'évaluer véritablement les risques, même si un accident est effectivement très improbable a priori! L existence des trous noirs restant incertaine, la réussite du projet n est pas assurée bien que celle-ci semble très prometteuse. Image en 3 dimension d une simulation de trou noir par choque de proton

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