trou noir or not trou noir?

[likethat]

Bonjour,

en avril dernier nous avons pu assister à la première observation directe d'un trou noir (plutôt de son disque d'accrétion), situé au centre de la galaxie M87.

Ma question est la suivante: comment sommes-nous certain que ce que nous avons observé est bel et bien un trou noir tel qu'actuellement théorisé (j'entends par là constitué d'une singularité gravitationnelle avec tous les infinis que ce concept impose) et pas seulement un astre suffisamment dense pour que sa vitesse de libération soit supérieure à c ?

Ainsi serait-il envisageable qu'une étoile plus dense qu'une étoile à neutron, par exemple une étoile à quarks (ne nécessitant pas de faire appel à une singularité aux valeurs infinies) génère un champ gravitationnel suffisant pour donner le résultat observé en avril dernier?

Question subsidiaire mais liée : n'existe-t-il donc pas d'astre (en théorie ou en observation) à la densité supérieure à celle d'une étoile à neutron mais inférieure à celle d'un trou noir? Pourquoi passe-t-on directement de l'un à l'autre sans autre étape?

Merci
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[pm42]

et pas seulement un astre suffisamment dense pour que sa vitesse de libération soit supérieure à c ?

C'est la définition d'un trou noir.

Question subsidiaire mais liée : n'existe-t-il donc pas d'astre (en théorie ou en observation) à la densité supérieure à celle d'une étoile à neutron mais inférieure à celle d'un trou noir? Pourquoi passe-t-on directement de l'un à l'autre sans autre étape?

Parce qu'il y cette limite qu'est la vitesse de la lumière : si la vitesse de libération est plus grande, on devient un trou noir. Ceci dit, il y a d'hypothètiques étoiles à quark et sans doute pas mal d'autres choses qui ont été imaginées.

En fait, c'est dans l'autre sens par rapport à ton raisonnement. On sait que si la vitesse de libération est plus grande que c, on a un trou noir : on ne voit rien.
Le concept a été inventé avant la Relativité.

Ensuite, on a la Relativité Restreinte : comme rien ne peut dépasser c, non seulement, l'astre est invisible mais rien ne peut s'échapper de son horizon.

Ensuite, on a la Relativité Générale : on décrit le trou noir de façon détaillée avec cette théorie très bien validée.

Ensuite, on ajoute la physique des particules, la mécanique quantique et on a le concept d'étoile à neutron (même si historiquement, c'est venu un peu avant le trou noir en Relativité)
Là aussi, on a des fondements théorique très solides.

Et pour les 2, on a maintenant des vérifications expérimentales convaincantes. Ceci dit, les 2 sont encore des axes de recherche aussi bien avec et sans une théorie de gravitation quantique.

[Mailou75]

Pourquoi passe-t-on directement de l'un à l'autre sans autre étape?

Voir : Supernova (ou pas) https://forums.futura-sciences.com/q...ml#post6368525

[Deedee81]

Salut,

En complément :

Notons qu'il ne faut pas mélanger deux choses :
- Il y a d'abord les trous noirs astrophysiques. Ceux-ci sont identifiés en fonction d'une série de caractéristique (compacité, masses et trajectoires des étoiles autour, disque d'accrétion)....
Ce sont bien des trous noirs.... parce qu'on a décidé de les appeler comme ça.
- Il y a ensuite les trous noirs théoriques.

Et enfin, ce qu'on fait c'est vérifier si les objets observés sont bien décrits par la théorie. On compare les deux catégories précédentes. Et jusqu'ici c'est le cas. Etant entendu qu'on ne va pas spéculer (ou pas trop ) sur des possibilités qui ne sont pas données ni par des observations ni par des théories validées. En sachant bien sûr que comme toujours en (astro)physique, toute théorie validée est valable.... jusqu'à preuve du contraire (et comme on n'a pas de boule de cristal.... ).

Notons aussi qu'on fait exactement la même chose avec tous les objets observés : étoiles à neutrons, naines blanches et même.... le Soleil.
On n'entend jamais quelqu'un dire "est-ce que le soleil est vraiment un soleil ?" Mais pour les trous noirs, si, parce que leur caractère exotique choque l'intuition. Mais ils n'ont pas un statut à part des autres objets.

Petit détail : la densité moyenne d'un trou noir super massif est plus faible que celle de l'eau !!!! Ca ne pourrait donc pas être une matière hyper dense et hyper rigide inconnue.
Autre petit détail : l'intérieur des étoiles à neutrons est très mal connu : superfluide de neutrons, neutrons cristallisés, quarks, quarks étranges.... Il y a plusieurs possibilités. Et il est même possible qu'on rencontre plusieurs cas. Les fusions d'étoiles à neutrons (maintenant prises sur le vif par les OG) nous en apprendrons plus car la densité, par exemple, de ces différents objets ne serait pas très différente. Ce n'est qu'en accédant directement à l'intérieur qu'on saura.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Tryss2]

On n'entend jamais quelqu'un dire "est-ce que le soleil est vraiment un soleil ?"

Aujoud'hui, non, mais il n'y a pas si longtemps, dire que les étoiles et le soleil c'est la même chose, c'était pas une vérité universelle.

Petit détail : la densité moyenne d'un trou noir super massif est plus faible que celle de l'eau !!!!

Le rayon de Schwarzschild d'un trou noir est proportionnel à sa masse, alors que pour une sphère matérielle uniforme, la masse est proportionnelle au cube du rayon.


Et ça, c'est si on ne commence pas à se poser la question "c'est quoi le volume d'un trou noir ?"

[Deedee81]

Aujoud'hui, non, mais il n'y a pas si longtemps, dire que les étoiles et le soleil c'est la même chose, c'était pas une vérité universelle.

C'est pour ça que je n'ai pas dit "étoile"

(a une époque on mettait même soleil, lune et planète sur le même pied)

[likethat]

Merci pour vos réponses.

Je pense m'être mal exprimé, peut être ce sera plus clair si je formule ma question ainsi :

-les trous noirs sont-il nécessairement constitués d'une singularité centrale, ou peuvent-ils être des astres constitués d'une matière plus dense que les étoile à neutron? L'effet observé serait le même (trou noir car vitesse de libération supérieure à c) mais la nature de l'astre serait radicalement différente (singularité mathématique Vs astre "physique").

Peut-être puis aussi la formuler ainsi :

- l'existence d'une singularité gravitationnelle est-elle une condition nécessaire à l'obtention d'une vitesse de libération supérieure à C?

ou encore ainsi :

- hormis les singularité gravitationnelles, existe-il (en théorie du moins) des astres susceptibles de développer un un trou noir car générant à leur surface une vitesse de libération supérieure à c?

A la lecture de vos réponses j'aurais tendance à répondre que seul le trou noir par singularité gravitationnel est bien théorisé et observé, et que tout le reste ne serait que vaines supputations...

merci

[pm42]

-les trous noirs sont-il nécessairement constitués d'une singularité centrale

On ne pense pas qu'ils soient composés d'une singularité centrale. C'est juste le résultat que donne la Relativité Générale quand on pousse les équations "jusqu'au bout" mais on sait qu'on est sorti du domaine de validité.
Tant qu'on n'a pas une théorie de la gravitation quantique, on ne peut pas décrire ce qui se passe vraiment à ce niveau là.

ou peuvent-ils être des astres constitués d'une matière plus dense que les étoile à neutron? L'effet observé serait le même (trou noir car vitesse de libération supérieure à c) mais la nature de l'astre serait radicalement différente (singularité mathématique Vs astre "physique").

Tu confonds trou noir qui est une région de l'espace-temps isolé causalement avec une composition en terme de matière.
Maintenant, certaines hypothèses supposent qu'au lieu d'une singularité, on aurait une matière très dense qui arrêterait de se comprimer à cause d'une pression quantique voire qui serait en train de rebondir.

Mais cela ne change absolument rien au fait que de l'extérieur, c'est un trou noir. Et tu peux relire la réponse de Deedee81 sur sa densité.

- l'existence d'une singularité gravitationnelle est-elle une condition nécessaire à l'obtention d'une vitesse de libération supérieure à C?

Comme déjà dit, c'est ce que donnent les équations de la RG.

[mach3]

-les trous noirs sont-il nécessairement constitués d'une singularité centrale

Non. Chronologiquement, l'horizon se forme avant la singularité, à partir du moment où l'astre en effondrement passe sous le rayon de Schwarzschild. La singularité n'est pas un lieu mais un moment dans le futur de ce qui passe l'horizon. Elle ne constitue pas le trou noir mais le futur de qui est tombé dedans.

- l'existence d'une singularité gravitationnelle est-elle une condition nécessaire à l'obtention d'une vitesse de libération supérieure à C?

Un rayon inférieur au rayon de Schwarzschild suffit. Ce qui se passe en-dessous de l'horizon ensuite est sans importance, singularité ou non.

En fait la singularité n'est pas un critère, elle pourrait très bien ne pas avoir lieu, c'est juste une prédiction de la RG dans un domaine où on sait parfaitement qu'elle n'est plus valide.

Le critère c'est simplement la compacité (ratio masse/rayon). Quand un astre est trop compact, de quoi qu'il soit fait, on a formation d'un horizon, après lequel l'astre ne peut pas cesser de se contracter étant donné qu'il faudrait que les lignes d'univers des particules qui le constitue soit de genre espace (oxymore ) pour ne pas se rapprocher. La densité et la température de l'astre vont augmenter prodigieusement sans que rien ne puisse l'empêcher, puis on arrive dans un régime où la RG n'est plus valide (comme l'univers il y a très très longtemps), à partir de là on ne sait pas ce qui arrive.

m@ch3

[Nicophil]

Bonjour,

- les trous noirs peuvent-ils être des astres constitués d'une matière pas plus dense que les étoiles à neutrons ? L'effet observé serait le même (trou noir car vitesse de libération supérieure à c)

Excellente question, dommage de ne pas l'avoir posée !

[Andrei2010]

(a une époque on mettait même soleil, lune et planète sur le même pied)

Qu'est-ce que ça devait faire mal, la vache !

Désolé.

[likethat]

Suite à vos différentes réactions j'ai fait un peu de recherches sur le web, afin de déterminer s'il existaient des alternatives au trou noir.

J'ai tout d'abord trouvé le concept "d'étoile noire" (pas celle de M.Vador), qui est, et je cite : " un objet céleste théorique supermassif, analogue au trou noir pour son origine et ses effets, mais qui évite les inconvénients de ce dernier : il ne mène pas à la création de singularité et de déformation infinie de l'espace-temps". Par ailleurs " l’étoile noire est un corps réel et matériel."

https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89...emi-classique)

J'ai également lu que les "étoiles Q" sont des "hypothétiques étoiles à neutrons compacte dans un état exotique de la matière" qui à l'observation peuvent " être confondues avec un trou noir stellaire."

https://fr.wikipedia.org/wiki/Étoile_Q

Enfin j'ai vu que les "gravastar" et les "Fuzzball" étaient également des candidats alternatifs à la théorie classique des trous noirs

https://fr.wikipedia.org/wiki/Gravastar
https://fr.wikipedia.org/wiki/Fuzzba...ie_des_cordes)

Donc, si je prends le risque de m'auto-répondre à mon interrogation première, il me semble envisageable de considérer la possibilité que le phénomène observé au centre de la galaxie M87 soit un de ces 4 astres.

Ce raisonnement est-il stupide?

Par ailleurs, je demandais aussi pourquoi il n'y avait pas d'étape intermédiaire entre l'étoile à neutron et le trou noir. Or, il semble y avoir une controverse sur l'existence hypothétique "d'étoiles à quark" qui constitueraient justement cette étape intermédiaire: " Une étoile étrange se situerait à mi-chemin entre l'étoile à neutrons et le trou noir, tant sur le plan de la masse que sur le plan de la densité, et si suffisamment de matière est ajoutée à une étoile étrange, elle doit s'effondrer sur elle-même pour devenir un trou noir."

https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89toile_%C3%A9trange

Qu'en pensez-vous?

Merci

[pm42]

Qu'en pensez-vous?

Que tu ignores une grande partie des réponses et que tu cherches tout ce qu'il y a de théories spéculatives sans vraiment comprendre la théorie établie et validée par l'expérience.

[mach3]

Etoile noire, étoile Q, gravastar : même combat, l'horizon ne se forme pas car l'effondrement s'arrête avant, pour une raison ou pour une autre. Ce qui est ennuyeux avec ceux là, c'est que l'effondrement doit s'arrêter au pire à la compacité limite, ce qui implique des densités différentes si les masses sont différentes : par exemple si M87* est l'un de ceux là, alors sa densité est plus faible que celle de l'eau, alors qu'un petit candidat trou noir stellaire est plus dense que la matière neutronique.
Il y a par ailleurs une différence fondamentale avec les trous noirs au niveau observationnel : si une étoile tombe sur un tel astre, ça doit faire une énorme explosion très lumineuse quand elle s'écrase à la surface, alors que si une étoile tombe sur un trou noir, elle ne s'écrase pas à la surface -il n'y en a pas- et il n'y a pas d'explosion très lumineuse. Il y a eu un article il y a quelque temps sur le sujet. Observer les étoiles tomber sur les candidats trous noirs permet de savoir si c'en sont, c'est à dire permet de savoir si un horizon va se former même si on ne peut pas le voir se former à moins de le traverser soi-même.
Autre différence, la métrique à l'extérieur de tels astres n'est pas celle de Kerr, ce qui donne lieu à des phénomènes observables caractéristiques, pour le peu qu'on en sache, l'observation de M87* est compatible avec une métrique de Kerr.
A l'extrême rigueur, si ils sont sans rotation (ce serait surprenant...) alors la métrique à l'extérieure serait bien indifférentiable de celle d'un trou noir statique, mais ça ne marche pas si il y a rotation.

Concernant la fuzzball, c'est juste la description d'un trou noir selon la théorie des cordes, théorie dont l'un des buts est justement de faire qu'il n'y ait pas de singularité (c'est une théorie de gravitation quantique). Extérieurement ça reste un trou noir : présence d'un horizon des évènements.

Concernant les stades intermédiaires entre étoile à neutron et trou noirs, il faut bien comprendre que ça ne pourrait s'observer que pour des masses faibles, qui permettent d'atteindre des densité très élevées sans pour autant dépasser la compacité limite. D'ailleurs à l'inverse, dans certains cas une supernova donne directement un trou noir sans passer par le stade d'étoile à neutron : pour les trop grosses étoiles, le coeur en effondrement à une masse telle que la compacité limite est dépassée avant que la densité atteigne celle de la matière neutronique.

m@ch3

[likethat]

top merci beaucoup pour tes explications Mach3, qui répondent du coup parfaitement à ma question première.

[Deedee81]

Salut,

Autre différence, la métrique à l'extérieur de tels astres n'est pas celle de Kerr, ce qui donne lieu à des phénomènes observables caractéristiques, pour le peu qu'on en sache, l'observation de M87* est compatible avec une métrique de Kerr.

Même pour la Terre d'ailleurs. C'est Rincevent qui me l'avait appris. Dommage qu'on ne le voie plus beaucoup. Il est super calé. Le champ est plutôt du style multipolaire.