Les trous noirs

Parties actualisées et corrigées en rouge (1/5/2009)

Les trous noirs en RG

Suivant la théorie de la Relativité Générale, un objet de masse M à l'intérieur d'une sphère de rayon r  inférieur ou égal à RS=2GM/c2  exerce un tel champ gravitationnel dans son voisinage que ni matière ni lumière ne peuvent s'en échapper, c'est un trou noir. RS est le rayon de l'horizon en deçà duquel aucun rayon lumineux ne peut s'échapper. 

La densité impliquée par la concentration d'une masse M dans un volume aussi restreint qu'une sphère de rayon RS est colossale mais les trous noirs peuvent avoir des masses quelconques, de celle d'une particule élémentaire à plusieurs millions de masses solaires au centre des galaxies en passant par les trous noirs stellaires de quelques masses solaires.

La masse d'une étoile à neutrons stable ne pouvant excéder 3 masses solaires selon la théorie de la Relativité Générale, 18 objets obscurs de plus de trois masses solaires et jusqu'à plus de dix masses solaires pour certains, pesés grâce au compagnon visible gravitant autour sur une orbite très serrée de 2 à 30 millions de kilomètres, sont considérés aujourd'hui comme de véritables trous noirs.

Le mouvement des étoiles qui gravitent au plus près du centre de notre galaxie ne s'explique également dans le cadre de la Relativité Générale que si se trouve au centre de celle-ci une masse obscure et concentrée de plusieurs millions de masses solaires également identifiée comme un trou noir pour les mêmes raisons.

Les trous noirs en DG par rapport à la RG

La solution de Schwarzschild ( pour une masse à symétrie sphérique sans rotation) de DG  ne se distingue sensiblement de celle de la RG qu'au voisinage de RS. Les étoiles compagnons gravitant à plusieurs millions de kms des candidats trou noir stellaires sont donc à des distances plus de 10000 fois supérieures à  RS , auxquelles le champ gravitationnel a tellement faibli que la précision n'est plus suffisante pour distinguer DG de RG par l'étude du mouvement des compagnons.  De même, la distance minimum d'approche du trou noir central de notre galaxie Sagitarius A* par une étoile fut de 18 milliards de kms soit mille fois plus que le rayon du candidat trou noir géant. Donc,  l'étude du mouvement des étoiles autour des meilleurs candidats trous noir aujourd'hui ne permet pas de discriminer entre les deux théories.

Le fait que des objets de plusieurs masses stellaires puissent être relativement mais pas nécessairement totalement obscurs est attendu en DG. En effet cette théorie prédit la présence de discontinuités de la gravité comme celles qui expliquent l'effet Pioneer et qui se propagent dans les puits de potentiel des étoiles. Ces discontinuités représentent des marches de potentiel d'autant plus importantes qu'elles se situent à proximité ou en deçà du rayon de Schwarzschild ou le régime de forte croissance de la solution exponentielle commence à se faire sentir, et c'est aussi le lieu ou une discontinuité a la plus grande probabilité de se trouver. Une telle marche de potentiel est très faible au voisinage du soleil. Ce n'est pas le cas pour la discontinuité au voisinage d'un objet concentré de plusieurs masses solaires et celle-ci pourrait constituer une barrière infranchissable pour la lumière comme elle en est déjà une pour la matière. En effet, les photons atteignant la discontinuité pourraient être aiguillés vers le versant conjugué ou être absorbés par une couche de matière opaque accumulée contre la barrière de potentiel discontinue. 13/1/2013

Dans le cadre de la théorie non étendue, on ne sait pas si toute la masse à l'intérieur de l'objet effondré sur lui même a pu se stabiliser et quel est le rayon de l'objet compact qui en résulte. Mais même pour un rayon qui serait par exemple dix fois inférieur au rayon de Schwarzschild, le champ gravitationnel extrêmement fort de la solution exponentielle du champ gravitationnel ((1+z)2=Exp(-2Gm/rc2)) qui en résulte doit produire un très important affaiblissement en (1+z)2 de la puissance lumineuse perçue par l'observateur extérieur de même qu'un rougissement du spectre en 1+z. Donc si le candidat trou noir est sa propre source de rayonnement, c'est à dire si l'énergie qu'il rayonne ne vient pas de la matière qu'il accrète, son rayonnement de corps noir pourrait facilement passer complètement inaperçu à cause de ces effets. Précisons également que seuls les rayons émis à un angle très proche de la verticale de la surface de l'objet ne seront pas déviés par le champ gravitationnel très fort et ont des chances de nous atteindre ce qui pourrait affecter de façon importante la surface effective qui contribue au rayonnement perçu. 

En l'absence de la source d'énergie et de rayonnement supplémentaire que constitue la matière tombant dans le trou noir on s'attendrait donc aussi en DG à observer des astres particulièrement obscurs de plusieurs masses solaires et de faible rayon mais qui pourraient éventuellement malgré tout émettre du rayonnement de corps noir avec une magnitude et longueur d'onde quasi impossible à prédire puisque la physique d'une source aussi compacte n'est pas connue.

Lorsque de la matière tombe dans le trou noir il en va tout autrement et il se démontre qu'en absence d'horizon un puissant rayonnement devrait être détecté déclenché par la chute de la matière à la surface de l'objet. Or le rayonnement de candidats trous noirs stellaires est imperceptible aux longueurs d'ondes attendues i.e. par exemple on note l'absence de l'équivalent des flashes de rayons X par ailleurs régulièrement observés lorsque de la matière atteint la surface des étoiles à neutrons. Seul un horizon ou une discontinuité jouant le même rôle en aiguillant toute matière et lumière vers le versant conjugué semble être capable dans ce cas d'expliquer cette absence de rayonnement.

Peut on discriminer entre ces deux dernières hypothèses i.e. horizon de la RG ou discontinuité de DG? Il semblerait qu'aux dernières nouvelles, la source de rayonnement radio Sagittarius A* associée à la masse gravifique de près de 4 millions de masse solaire se trouvant au centre de notre galaxie semble provenir d'une région significativement plus petite que le rayon de Schwarschild! L'interprétation immédiate d'une telle observation serait donc qu'une région très proche du centre du trou noir brille en radio! Comme le spectre n'est pas de corps noir mais de rayonnement synchrotron il s'agirait de rayonnement émis par de la matière qui tombe dans le trou noir mais en deçà du rayon de Schwarzshild : une catastrophe pour la Relativité Générale. Pour le moment les astrophysiciens imaginent pour ce sortir de ce mauvais pas que le spot qui émet est décentré et donc en dehors de l'horizon mais pourquoi un tel spot?!  En tout cas, une fois de plus, cette matière n'atteint pas la surface d'un objet compact ce qui devrait résulter en une puissance équivalente émise qui n'est pas observée. Par conséquent, l'interprétation la plus immédiate est qu'il y a bien une zone qui joue le role d'horizon mais puisque de toute évidence elle se situe à l'intérieur du rayon de Schwarzschild (probablement en deça de l'anneau de rayonnement non encore résolu que nous percevons), il ne s'agit pas de l'horizon de la relativité générale mais plutot d'une discontinuité en deça du rayon de Schwarzschild qui bloque toute matière et rayonnement ou les envoie vers le versant conjugué.   

Le spectre électromagnétique émis par le disque d'accrétion,  le gaz qui tomberait dans le candidat trou noir jusqu'à l'horizon est aussi très sensible au régime gravitationnel dans un proche voisinage de Rs.  L'étude des spectres émis par les zones les plus internes des disques d'accrétion est donc cruciale. Or, la théorie de la Relativité Générale ne peut reproduire aujourd'hui  les quelques spectres observés qu'en supposant que les trous noirs sont animés d'un mouvement de rotation à une vitesse extrêmement grande, proche de la limite supérieure théoriquement permise. En effet, l'effet d'entraînement de l'espace-temps, le frame-dragging,  induit par cette rotation , diminuant considérablement le rayon de l'horizon Rs, permet au disque d'accrétion de rester visible (la lumière émise pouvant s'échapper jusqu'à nous atteindre) à plus grande proximité du trou noir ou ses raies d'émission identifiables subissent un plus grand décalage fréquentiel ou redshift. Dans le cas du trou noir géant du centre de la galaxie, il faut aussi à la RG supposer une rotation de l'objet seulement deux fois plus petite que la valeur maximale autorisée pour rendre compte des redshifts observés.

Dans la version de DG que j'ai mise le plus en avant (celle qui donne des prédictions plus différentes de celles de la RG dans le secteur gravitomagnétique), il n'y a pas de frame-dragging. Par contre, comme il n'y a pas non plus cet horizon qui est la véritable caractéristique distinctive du trou noir de la RG, les raies peuvent être émises, red-shiftées puis détectées en deçà du rayon Rs et cela devrait permettre également à DG de passer le test (exercice à effectuer).

Enfin, l'effet d'entraînement de l'espace-temps en RG est aussi à l'origine d'oscillations quasi-périodiques dans le disque d'accrétion qui devraient se traduire par l'émission de raies dans un rapport 3/2. Ces raies ont été observées dans le spectre de la nova de la mouche mais constituent peut être dans le cadre de DG une signature encore plus impressionnante. En effet, les deux raies ont été émises à 67 et 41 Hz, le rapport entre les deux étant en fait nettement plus proche du nombre d'or 1.618 que de 3/2.  Or, en DG la discontinuité qui entoure l'objet peut délimiter une cavité pour un système d'ondes stationnaires longitudinales dont les fréquences sont de façon privilégiée des multiples de Fibonacci de la fondamentale i.e. doivent être détectées dans un rapport 1.618. On postule que l'entrée en résonance de la cavité serait capable de s'accompagner d'un rayonnement (émission d'ondes gravitationnelles telles que celles détectées par Chandra dans l'amas de Persée) susceptible d'exciter à ces mêmes fréquences des tremblements du disque d'accrétion. 

J'attends encore la publication officielle des résultats finaux (sur une année complète) du satellite GravityProbeB afin de réorienter éventuellement la théorie si l'existence du frame dragging tel que prédit par la RG était confirmée. Quoi qu'il en soit, pour le moment c'est la RG qui me semble dans une situation critique étant donnée la très petite dimension (pour le moment non résolue) de la source du rayonnement radio de Sagittarius A* et le faible nombre de candidats trous noirs stellaires identifiés à ce jour. En effet, dans le cadre de DG, on s'attend à ce que ces "trous noirs" soient des objets transitoires qui s'évaporent en évacuant progressivement de la matière dans l'univers conjugué via la discontinuité qui parcourt périodiquement l'intérieur de l'objet en partant du centre.

L'origine du trou noir géant du centre de la galaxie est aussi envisageable différemment dans notre cadre. Il pourrait résulter de la présence d'une discontinuité qui balaie régulièrement l'espace de façon centripète en drainant la matière vers le centre. L'analyse de spectres d'annihilation e+e- semble indiquer aussi des annihilations entre matière de notre versant et antimatière du versant conjugué dans la direction du centre galactique (à 10kpc du centre). Dans ce cas il s'agirait plutôt d'antiparticules qui émergent dans notre versant via des disontinuités pour s'y annihiler avec les particules qui se trouvent de notre coté.

 

Une synthèse et des références complètes sur le sujet des trous noirs peuvent être trouvées dans l'ouvrage grand public récent de JP Luminet intitulé le destin de l'univers.