Trous noirs
Un trou noir est une région de l'espace-temps si fortement courbée que rien, pas même la lumière, ne peut s'échapper de l'intérieur de son horizon des événements ; les trous noirs comptent parmi les prédictions les plus frappantes de la relativité générale et sont désormais directement observés.
Definition
Un trou noir est une région de l'espace-temps délimitée par un horizon des événements, une surface à sens unique à partir de laquelle aucun signal ne peut atteindre les observateurs distants, formé lorsque la matière est comprimée à l'intérieur de son rayon de Schwarzschild et caractérisé à l'équilibre uniquement par sa masse, son moment angulaire et sa charge.
Scope
Cette section aborde la définition et la structure des trous noirs : les horizons des événements et les singularités qu'ils renferment, les théorèmes de non-chevelure qui réduisent un trou noir stationnaire à sa masse, sa charge et son spin, les géométries de Kerr en rotation et de Reissner-Nordstrom chargées, les lois de la mécanique des trous noirs et leur interprétation thermodynamique, y compris le rayonnement de Hawking, ainsi que l'effondrement gravitationnel qui forme les trous noirs.
Sub-topics
Core questions
- Qu'est-ce qui définit un horizon des événements et qu'y a-t-il au-delà ?
- Pourquoi un trou noir stationnaire est-il décrit par seulement trois nombres ?
- Comment les effets quantiques font-ils rayonner les trous noirs et leur confèrent-ils une entropie ?
- Comment les trous noirs astrophysiques se forment-ils par effondrement gravitationnel ?
Key concepts
- Horizon des événements
- Singularité
- Théorème de non-chevelure
- Entropie des trous noirs
- Rayonnement de Hawking
- Effondrement gravitationnel
Key theories
- Théorème de non-chevelure
- Un trou noir stationnaire en relativité générale est entièrement caractérisé par sa masse, son moment angulaire et sa charge électrique, de sorte que tous les autres détails de la matière qui l'a formé sont perdus derrière l'horizon.
- Théorèmes de singularité
- Penrose et Hawking ont démontré que, sous des conditions d'énergie et de causalité raisonnables, l'effondrement gravitationnel et l'univers primordial doivent produire des singularités de l'espace-temps, établissant que les singularités sont des caractéristiques génériques de la relativité générale plutôt que des artefacts de symétrie.
- Rayonnement de Hawking
- La théorie quantique des champs près d'un horizon prédit qu'un trou noir émet un rayonnement thermique à une température inversement proportionnelle à sa masse, de sorte que les trous noirs s'évaporent lentement, reliant la gravité, la théorie quantique et la thermodynamique.
Clinical relevance
Les trous noirs sont centraux en astrophysique moderne : les trous noirs de masse stellaire se forment à partir de l'effondrement d'étoiles massives et alimentent les binaires X, les trous noirs supermassifs ancrent les galaxies et animent les noyaux galactiques actifs, et les fusions de trous noirs sont les sources d'ondes gravitationnelles les plus intenses détectées à ce jour.
History
Implicites dans la solution de Schwarzschild de 1916, les trous noirs ont longtemps été considérés comme non physiques jusqu'à ce qu'Oppenheimer et Snyder modélisent l'effondrement en 1939 ; le théorème de singularité de Penrose de 1965, la dénomination de 'trou noir' par Wheeler, les résultats des théorèmes de non-chevelure et la découverte de la thermodynamique des trous noirs par Bekenstein-Hawking dans les années 1970 les ont établis comme des objets centraux, confirmés plus tard par les observations d'ondes gravitationnelles et de l'Event Horizon Telescope.
Debates
- Le paradoxe de l'information
- Le calcul de Hawking a suggéré qu'un trou noir en évaporation détruit l'information, ce qui est en conflit avec l'unitarité de la mécanique quantique ; réconcilier les deux, par l'holographie, les pare-feux (firewalls) ou des corrélations subtiles dans le rayonnement, demeure un problème actif et non résolu.
Key figures
- Roger Penrose
- Stephen Hawking
- Jacob Bekenstein
- John Wheeler
- Roy Kerr
Related topics
Seminal works
- penrose1965
- hawking1975
Frequently asked questions
- Pourrait-on un jour voir ce qui se passe à l'intérieur d'un trou noir ?
- Pas de l'extérieur : l'horizon des événements empêche tout signal de l'intérieur d'atteindre les observateurs distants, l'intérieur est donc causalement déconnecté ; un observateur qui y tomberait pourrait en principe l'explorer mais ne pourrait jamais en rendre compte au-delà de l'horizon.
- Les trous noirs durent-ils éternellement ?
- Classiquement oui, mais le rayonnement de Hawking les fait perdre de la masse et finir par s'évaporer ; l'échelle de temps est astronomiquement longue pour les trous noirs stellaires et plus massifs, de sorte que les trous noirs astrophysiques sont effectivement permanents à toute échelle de temps humaine ou cosmologique considérée jusqu'à présent.