Trous noirs et relativité générale�

Présentés par:

Aboubacar Daouda TRAORE

Ousmane SIDIBE

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Classe: Master 2 Physique (S3)

Groupe: G9

Dirigé par: Dr Abdoulaye Coulibaly

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Plan

1. Historique des trous noirs
2. Définitions élémentaires
3. Formation et observation des trous noirs
4. Propriétés physiques des trous noirs
5. Effets sur la lumière
6. Conclusion

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1. Historique des trous noirs�

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• Le domaine de l’astrophysique regorge de créatures étranges, mais les plus mystérieuses sont sans conteste les trous noirs, d’une compacité extrême, invisibles et pourtant, selon les physiciens, accidents ordinaires de notre espace‑temps.
• L’existence de trous noirs géants a été imaginée dès la fin du XVIIIe siècle par le Britannique John Michel (1724‑1793) et par le Français Pierre‑Simon de Laplace (1749‑1827) dans le cadre de la théorie de la gravitation de Newton.

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1. Historique des trous noirs (Suite)

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• A travers des calculs simples, ils montraient qu’il pourrait exister dans l’Univers des astres tellement massifs que même la lumière ne pourrait s’en échapper et en concluaient que ces astres hypothétiques seraient invisibles.
• Cette brillante hypothèse, qui n’a pas suscité d’intérêt à l’époque, a resurgi 150 ans plus tard dans le cadre d’une autre théorie de la gravitation, la relativité générale.

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1. Historique des trous noirs (Suite1)

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• Le trou noir possède en effet des propriétés non newtoniennes que seule la gravitation relativiste d’Einstein permet de comprendre.
• Le trou noir doit se comprendre non pas comme une masse qui attire avec une force irrésistible, mais comme une déformation extrême de l’espace‑temps.
• Il est possible de visualiser cette déformation par un puits gravitationnel creux de l’espace temps.

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1. Historique des trous noirs (Suite2)

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2. Définitions élémentaires�

• Le trou noir est un objet céleste, si compact que l'intensité de son champ gravitationnel empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper.

En relativité générale, un trou noir est défini comme une singularité occultée par un horizon absolu appelé horizon des évènements.

• Une étoile est un corps céleste plasmatique qui rayonne sa propre lumière par réactions de fusion nucléaire.

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2. Définitions élémentaires (Suite)�

• L’espace-temps est une représentation mathématique de l’espace et du temps appelé espace de Minkowski.
• Une supernova est l’extinction d’une étoile en fin de vie.
• Un sursaut gamma est un phénomène très énergétique qui survient à l’extinction d’une étoile où des particules seront propulsées à très hautes énergies dans la même direction mais de sens de propagation opposé.

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2. Définitions élémentaires (Suite1)�

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• Un puits gravitationnel est une représentation géométrique du champ gravitationnel entourant un objet céleste dans l’espace.

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• Une singularité gravitationnelle est une région dans laquelle le champ gravitationnel et certaines distorsions de l’espace-temps divergent à l’infini quel que soit le changement de coordonnées.

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3. Formation et observation des trous noirs�

1. Formation
1. Un trou noir se forme lorsqu’une étoile massive (d’environ 9 à cent millions fois la masse de notre soleil) arrive en fin de vie. Cette étoile ne ressemble plus à notre soleil car devenue très instable, elle finit par épuiser tout son combustible et commence alors à s’effondrer sur elle-même.
2. Elle devient toujours plus dense, toujours plus chaude, aucune force dans l’univers n’est capable d’empêcher l’effondrement d’un corps aussi massif.

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3. Formation et observation des trous noirs (Suite)�

1. Formation (Suite)
1. Son noyau est si lourd qu’il continue de tomber sur elle-même.
2. A l’espace de quelques secondes, elle diminue de volume, mais l’étoile conserve sa masse. Entrainée par son propre poids, elle se condense.
3. Dans le cœur, la température continue de grimper (100 milliards de degré environ) et les couches extérieures explosent en une gigantesque supernova, le cœur lui continue de tomber pour former un puits de gravité : un trou noir est né.

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3. Formation et observation des trous noirs (Suite)�

1. Formation (Suite2)
1. Trous noirs intermédiaires
1. Les trous noirs intermédiaires sont des objets récemment découverts et ont une masse entre 100 et 10 000 masses solaires.
2. Ces trous noirs intermédiaires pourraient résulter de l'effondrement d'étoile de population III : ce sont des populations hypothétiques d'étoiles très massives (des milliers de masses solaires) qui se seraient formées au début de l'Univers, constituées des éléments les plus légers : l'hydrogène ou l'hélium.

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3. Formation et observation des trous noirs (Suite)�

1. Formation (Suite1)
2. Trous noirs supermassifs
1. Les trous noirs supermassifs ont une masse comprise entre quelques millions et quelques milliards de masse solaire. Il se trouve au centre des galaxies et leur présence provoque parfois l’apparition des jets et de rayonnements X. De plus, ce sont les seuls trous noirs pour lesquels il est possible de franchir l’horizon des évènements
2. Ce dernier est la limite, un point de non-retour, à partir du quelle plus rien, même pas la lumière, ne peut s'échapper du trou noir.

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3. Formation et observation des trous noirs (Suite)�

1. Formation (Suite3)
3. Trous noirs stellaires
1. Ce sont les trous noirs « classiques ». Ils sont formés lors de la mort d'une étoile super géante très massive (jusqu’à 100 fois la masse de notre Soleil).
2. En effet, lorsque la combustion par les réactions thermonucléaires dans le cœur de l’étoile massive se termine, faute de carburant, une supernova se produit.
3. Cette dernière peut laisser derrière elle un cœur qui continue à s’effondrer rapidement pour ainsi donner naissance à un trou noir.

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3. Formation et observation des trous noirs (Suite)�

1. Formation (Suite4)
4. Trous noirs primordiaux
1. Ils n’ont encore jamais été observés, leur existence a été suggérée par les physiciens soviétiques Yakov Zeldovitch et Igor Novikov en 1966.
2. Les trous noirs primordiaux sont des trous de petites tailles, formés pendant les premières secondes de l’Univers selon la théorie du Big Bang. Ils sont très petits et très légers. Leur masse est supposée très inférieure à une masse stellaire. Ils sont aussi appelés micro trous noirs.

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3. Formation et observation des trous noirs (Suite2)�

2. Observation
1. Par définition, un trou noir n'émet rien. Pour le détecter, il va falloir recourir à des méthodes indirectes.
2. Les deux seules classes de trous noirs pour lesquelles on dispose d’observations nombreuses (indirectes, mais de plus en plus précises) sont les trous noirs stellaires et supermassifs.
3. Nous pouvons étudier la mesure de leur influence sur leur environnement proche.

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3. Formation et observation des trous noirs (Suite2)�

2. Observation (Suite)
1. On peut aussi détecter des trous noirs grâce aux ondes gravitationnelles produites lorsque des astres massifs (comme les trous noirs) entrent en collision. Il est alors possible de déterminer leur position et leur masse.
2. Les trous noirs pourraient aussi émettre un rayonnement, appelé rayonnement de Hawking. Malheureusement, nous ne sommes pas capables de le percevoir à l’heure actuelle.
3. On peut les observer grâce aux télescopes tels que LIGO, VIRGO, EVENT HORIZON TELESCOPE, TELESCOPE CHANDRA…

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4. Propriétés physiques des trous noirs�

1. Explication de la courbure
1. La théorie de la relativité générale d'Einstein décrit la gravitation comme une courbure (déformation) de l'espace-temps. Plus la masse est concentrée, plus cette courbure est prononcée.
2. Si nous dessinons l'espace-temps sous la forme d'un plan, nous pouvons de manière très imagée visualiser cette déformation.
3. L’espace-temps étant déformable, les corps massifs tels que les trois noirs ou autres, peuvent provoquer des distorsions de celui-ci, nous observons dans de tel cas un puits gravitationnel.

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4. Propriétés physiques des trous noirs�

1. Explication de la courbure (Suite)

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4. Propriétés physiques des trous noirs (Suite)�

2. Rayon de Schwarzschild
1. Un trou noir n'a pas de surface matérielle ; la matière même qui venait de l'étoile initiale est réduite à un point de densité infinie, appelé singularité.�La "surface" du trou noir est appelée l'horizon, sa taille est appelé '’rayon de Schwarzschild'’.
2. Soit la force gravitationnelle entre deux corps de masse m et M distant de R, donnée par:

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4. Propriétés physiques des trous noirs (Suite)�

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4. Propriétés physiques des trous noirs (Suite)�

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5. Effets sur la lumière

• Dans l’espace-temps, la lumière suit le plus court chemin.
• De façon générale, si la lumière rencontre un trou noir, plusieurs cas peuvent se présenter :
• Si le rayon de Schwarzschild du trou noir est supérieur à celui de la lumière, alors celle-ci est engloutie par le trou noir car sa vitesse est inférieure à celle de libération du trou noir.
• Si le rayon de la lumière est très grand comparé à celui du rayon de Schwarzschild du trou noir, alors une partie de celle-ci sera engloutie par le trou noir.

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5. Effets sur la lumière (Suite)

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• Il peut avoir que la lumière n’est pas sur la trajectoire du trou noir mais à une distance de celui-ci. Si l'espace est plat, c'est à dire non déformé, ce chemin est bien évidemment une droite. Au voisinage d'un trou noir, le rayon lumineux sera dévié de sa trajectoire sous l’influence du champ gravitationnel qui existe au sein du trou noir comme l’illustre la figure ci-dessous.

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5. Effets sur la lumière (Suite1)

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6. Conclusion

• Aujourd’hui, les trous noirs sont devenus des objets fascinants qui intéressent de plus en plus de chercheurs et la communauté scientifique dans l’optique qu’ils nous apprennent des choses sur la création de notre univers.
• Pour la description d’un tel phénomène (trou noir), il faut faire appel aux deux grandes théories de la physique à savoir la mécanique quantique et la relativité générale.
• Il peut être cependant une source d’énergie pourquoi pas dans les siècles à venir !!!!!

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Ceci met fin à notre exposé.

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Merci pour votre aimable attention !!!

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