Comment les trous noirs aspirent la lumière ?

[Nightbringer87]

Salut a tous

Quelqu'un peut il m'expliquer comment la lumière est aspirée dans les trous noirs ?

Par ce que je vous explique j'ai 3 données qui expliquent ça mais je n'arrive pas à les unifier ...

- Est-ce à cause du temps fortement ralenti aux abords d'un trou noir ? ( le photon doit passer très lentement aux abords du trou noir ? )
- Est-ce à cause de la gravitation pure et dure ? ( bien que selon Einstein la gravitation est une déformation de l'espace temps et que par conséquent ça rejoint la première question en quelques sortes... )
- Est-ce une question d'énergie ? ( j'ai lu une explication d'un scientifique Français qui disait que les photons contenaient une certaine quantité d'énergie via la formule E=MC² et que pour lutter au passage à proximité d'un trou noir ils utilisaient beaucoup de leur énergie. Par conséquent l'horizon des événements du trou noir serait la limite entre deux zone de l'espace où la lumière existe et où elle n'existe pas et que l'on peut imager grâce à :

- Energie contenue dans un photon > Energie nécessaire pour s'échapper ( à l'extérieur de l'horizon des événements )
- Energie contenue dans un photon < ou = Energie nécessaire pour s'échapper ( Horizon des événements et plus vers l'intérieur du trou noir ) )

Donc au final le photon il est aspiré à cause de la gravitation et de l'espace temps ou bien simplement par ce qu'il n'a plus d'énergie ??
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[Gilgamesh]

Il n'y a rien à expliquer : le trou noir n'aspire pas la lumière.

Il ne la laisse pas sortir lorsque sa trajectoire a traversé l'horizon, ce qui n'est pas la même chose.

[Nightbringer87]

C'est pas ce que je veux dire par ce que la lumière qui se déplace en ligne droite est déviée quand elle passe à proximité ce qui tendrait à prouver que c'est la gravitation qui l'empêche de partir ...

Donc ce qui l'empêche de partir c'est la déformation du temps ? la gravitation tout simplement ? le manque d'énergie ? les trois ?

[Deedee81]

Salut,

C'est pas ce que je veux dire par ce que la lumière qui se déplace en ligne droite est déviée quand elle passe à proximité ce qui tendrait à prouver que c'est la gravitation qui l'empêche de partir ...
Donc ce qui l'empêche de partir c'est la déformation du temps ? la gravitation tout simplement ? le manque d'énergie ? les trois ?

Ce qui dévie la lumière, c'est la déformation de l'espace-temps.

Partons un peu plus basique :
- en relativité générale, la gravité est modélisée par une déformation de l'espace-temps
- les trajectoires des corps qui ne sont soumis à aucune force (autre que la gravité) suivent les trajectoires les plus courte (les géodésiques) (équivalent d'une ligne droite quand l'espace n'est pas déformé).
- cela conduit, par exemple, au fait que la Lune tourne autour de la Terre.

Il faut considérer l'espace-temps (vu comme un espace à quatre dimension) et pas l'espace ou le temps seuls, sinon ça n'expliquerait pas que la Lune suit une trajectoire différente d'un rayon lumineux passant près de la Terre (d'où le fait que visuellement, l'espace seul ne nous semble pas si déformé que ça autour de nous. L'effet sur les trajectoires est amplifié par le fait que la Lune se déplace très lentement par rapport à un rayon lumineux, les coordonnées de l'espace temps c'est hauteur, longueur, largeur, temps * la vitesse de la lumière).

La déviation de dépend pas de la masse du corps qui est dévié (du moins tant qu'il n'est pas trop grande). Elle ne dépend que :
- de la vitesse du corps (et comme la lumière va très vite, elle est peu déviée)
- de la masse du corps attractif (terre, soleil, trou noir) (c'est lui qui déforme l'espace-temps-

Lorsque la masse (ou plutôt la densité) devient énorme, l'espace-temps devient tellement déformé qu'il apparait une région sphérique appelée horizon des événements : tout ce qui passe cette zone plonge irrémédiablement vers le trou noir.
C'est aussi le cas des rayons lumineux.
Ce n'est pas un problème de vitesse ou un problème d'énergie. C'est juste que sous l'horizon, tous les chemins mènent au centre. Il n'existe pas de chemin allant vers l'extérieur (évidemment, notre cerveau est assez mal câblé pour visualiser un espace-temps aussi déformé. D'où l'utilité des équations).

[A voir en vidéo sur Futura]

[Nightbringer87]

Certes d'accord merci

Mais un photon lorsqu'il est dévié de sa trajectoire par la gravitation d'un trou noir il perd de l'énergie équivalente à celle utilisée pour échapper à la gravitation qui n'est pas assez forte pour le capturer n'est-ce pas ?

Tant que j'y suis existe t-il des simulations informatiques ou des graphiques de la déformation de l'espace-temps aux abords d'un trou noir ?

[Gilgamesh]

C'est pas ce que je veux dire par ce que la lumière qui se déplace en ligne droite est déviée quand elle passe à proximité ce qui tendrait à prouver que c'est la gravitation qui l'empêche de partir ...

Donc ce qui l'empêche de partir c'est la déformation du temps ? la gravitation tout simplement ? le manque d'énergie ? les trois ?

La gravitation est défini au sens fort dans le formalisme de la Relativité générale comme une courbure de l'espace-temps. On ne dit pas : la gravité est causée par la courbure, mais carrément : la gravité est la courbure, c'est une identité de nature.

Dans un espace plat (euclidien) le plus court chemin entre deux point est une droite. Dans un espace courbé (comme par exemple la surface de la Terre) c'est ce qu'on appelle une géodésique. Ce raisonnement peut se poursuivre dans un espace-temps courbé par la présence de masse. Quelle que soit son énergie, un rayon :lumineux emprunte le plus court chemin entre deux points, ce qu'on appelle une géodésique de genre lumière caractérisé par un intervalle nul entre deux événement d'espace temps. Le tracé d'une géodésique tangente à la surface est plus ou moins courbée en fonction de la compacité de la masse (cad en fonction du fait que le rayon de la sphère au sein de laquelle s'inscrit la masse est plus ou proche de son rayon de Schwarzschild 2GM/c²). Et c'est cette courbure de la trajectoire qui est mesurée.

Toutefois, et par définition, si la trajectoire du photon ne traverse pas l'horizon, il existe toujours des trajectoires de sorties, et donc le photon n'est pas empêché de partir (il peut éventuellement faire un certain nombre de tours autours du trou noir avant de s'échapper, en cas de trajectoires rasantes). Et par définition si la trajectoire coupe l'horizon il n'existe aucune trajectoire de sortie : toutes les géodésique convergent vers un même point situé dans le futur.

edit: croisement avec DD

[Nightbringer87]

oui dans ce cas le point situé dans le futur c'est la singularité

Mais quand le photon sors de sa géodésique pour reprendre un chemin droit ça lui coûte de l'énergie non ? sinon il tournerait autour du trou noir indéfiniment comme la lune autour de la terre non ?

Je reformule ma question plus haut que j'ai formulé un peu tard .... " existe t-il des simulations informatiques ou des graphiques de la déformation de l'espace-temps aux abords d'un trou noir ? " ( construits d'après les formules et non des observations )

merci beaucoup

[acx01b]

toi tu penses à la gravité d'un corps comme une fonction d'énergie potentielle de l'espace, et qui donne donc de l'énergie cinétique aux autres corps qui se rapprochent du corps qui émet la gravité.

donc déjà le photon dans ce cas gagnerait de l'énergie cinétique et pas le contraire, sauf qu'un photon va toujours à la vitesse c donc je ne sais pas. en plus l'énergie d'un photon est (censée être, en physique quantique pas en relativité générale) proportionnelle à sa fréquence, donc en gros tu demandes si la fréquence du photon change quand il se rapproche du trou noir ?

déjà est-ce que tu connais ça:
https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89...ue_relativiste
??

[Gilgamesh]

oui dans ce cas le point situé dans le futur c'est la singularité

Mais quand le photon sors de sa géodésique pour reprendre un chemin droit ça lui coûte de l'énergie non ? sinon il tournerait autour du trou noir indéfiniment comme la lune autour de la terre non ?

Non, et par définition il ne quitte pas sa géodésique c'est juste que celle-ci fait des boucles qui peuvent comprendre plusieurs enroulements (ce qui n'existe pas en gravitation newtonienne).

Je reformule ma question plus haut que j'ai formulé un peu tard .... " existe t-il des simulations informatiques ou des graphiques de la déformation de l'espace-temps aux abords d'un trou noir ? " ( construits d'après les formules et non des observations )

Oui, bien sûr.

Très visuel il y a le docu de Alain Riazuelo : Voyage autour d'un trou noir


Et tu as une applet paramétrable ici : Calcul de géodésiques autour d'un trou noir de Schwarzschild

Ci dessous une capture d'écran montrant différentes géodésiques, dont celles à multiples enroulements, en rouge.

[Nightbringer87]

Merci pour vos réponses et vos liens ça va bien m'aider

Je connais l'énergie cinétique mais pas de façon aussi poussée :/


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Lien et citation supprimés

Je te déconseille tout à fait de perdre ton temps avec ce genre de site et d'auteur.
C'est de l'ordre de la théorie personnelle, et la politique de la modération est de ne plus perdre son temps avec ça.

Pour la modération
Gilgamesh

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[Nightbringer87]

Je peux juste savoir pourquoi ?

Par ce que ça m'a fait imaginer les trous noirs comme des boules de vide avec leur singularité gravitationnelle où l'horizon des événements définit juste la limite à laquelle un photon n'aurait pas assez d'énergie pour s'échapper de la force gravitationnelle de la singularité ... j'ai trouvé ça étrange mais en même temps sans la lumière il n'y a pas d'horizon des événements donc vous pourriez juste finir d'éclaircir tout ça histoire d'en finir svp ?

merci

[Gilgamesh]

Essaye de reformuler. Quel est le problème avec l'énergie ?

[Nightbringer87]

C'était au niveau de l'énergie des photons par ce que c'est de l'énergie pure un photon en fait c'est ça qui me perturbe mais si vous vous me dites que cette énergie reste la même et cela même aux abords d'un trou noir je vous crois mais je pensait que ce photon devait se délester d'une partie de son énergie un peu comme un mec qui rame à contre courant et qui se fatigue ....

[acx01b]

non mais moi j'aimerais bien avoir la réponse à cette question assez proche de la tienne je pense :

une bille immobile qui est attirée par le soleil accélère et gagne de l'énergie cinétique,
dans un univers qui ne contient que le soleil et cette bille, au départ cette bille avait donc de l'énergie potentielle de pesanteur ?

un photon qui est attiré par le soleil n'accélère pas au sens qu'il n'acquiert pas d'énergie cinétique, bien que du point de vue d'un observateur extérieur le photon suit une trajectoire courbe , et donc comme pour un photon ,
qui est la fréquence (donc la couleur) ne change pas ?

et si on remplace le soleil par un trou noir tout ça reste vrai ?

[Gilgamesh]

C'était au niveau de l'énergie des photons par ce que c'est de l'énergie pure un photon en fait c'est ça qui me perturbe mais si vous vous me dites que cette énergie reste la même et cela même aux abords d'un trou noir je vous crois mais je pensait que ce photon devait se délester d'une partie de son énergie un peu comme un mec qui rame à contre courant et qui se fatigue ....

Tu peux raisonner comme avec Newton sur une particule : la particule qui s'approche perd de l'énergie potentielle et gagne de l'énergie cinétique et quand elle repart c'est l'inverse. Après y'a des effets de focalisation (le trou noir est une lentille gravitationnelle, voir les effets dans la vidéo) mais globalement le bilan est nul pour un photon venant de l'infini et qui repart vers l'infini. Sil vient de dessous l'horizon par contre... eh bien il n'y a pas de photon venant de dessous l'horizon. Il existe un dernier cas, où le photon est produit proche de l'horizon, par un disque d'accrétion chaud et brillant (cas des sursauteurs X, par exemple) et dans ce cas l'effet Einstein (redshift gravitationnel) joue à plein.

Cela répond également à la question d'acx.

[acx01b]

Après y'a des effets de focalisation (le trou noir est une lentille gravitationnelle, voir les effet dans la vidéo) mais globalement le bilan est nul pour un photon venant de l'infini et qui repart vers l'infini

Si j'ai une trajectoire de photon qui passe près d'un trou noir,
est-ce que un photon pourra suivre la même trajectoire en sens inverse ? c'est à dire ??

J'ai l'impression que oui car l'accélération due à la gravité c'est où

supposons que donc un photon qui fait le même trajet que le photon x mais dans l'autre sens. Voyons si c'est possible :
alors et



donc oui c'est possible, la trajectoire d'un photon est valable dans les deux sens


et ça, ça me pose un problème concernant l'effet de lentille gravitationnelle :
si un objet petit a l'air plus gros après que ses photons aient frôlés un astre, alors dans l'autre sens un gros objet aura l'air plus petit après avoir frôlé un astre, ce qui est incohérent !

[acx01b]

en fait non, c'est la trajectoire d'une bille qui est valable dans les deux sens, le photon lui a une vitesse constante (donc s'écrit un peu différemment) mais le résultat est le même

[Deedee81]

Salut,

Juste une petite précision non astrophysique sur ça :

c'est de l'énergie pure un photon

Non, un photon n'est pas de l'énergie pure. Il a aussi, comme toutes les particules, d'autres propriétés : impulsion, spin, longueur d'onde....

D'ailleurs les photons ne sont que la description quantique du champ électromagnétique de Maxwell dont le magnétisme, l'électricité et la lumière sont des avatars. Et ce n'est clairement pas que de l'énergie pure.

La seule particularité du photon est qu'il n'a pas de masse propre et donc, relativité oblige, il a toujours la même vitesse (c).