Fusion trous noirs

[cocomos77]

Bonjour à tous.

Si j’ai bien compris, pour un observateur extérieur très loin d’un trou noir les objets pénétrant l’horizon ou plus précisément dont la trajectoire les fait se rapprocher de l’horizon finissent par se figer et ne plus être visible.
Autrement dis un trou noir d’un point de vue extérieur serait composé d’une masse centrale, celle qui a conduit à l’effondrement ("masse centrale" est certainement imprécis voir faut mais me semble plus pertinent physiquement que singularité) et d’autres masses « éparpillées » sur l’horizon. (l'augmentation de la masse d'un TN conduit peut-être à ce que l'horizon "rattrape » et dépasse ces masses figées je ne sais pas trop)

Tout ceci de notre point de vue, car dans le futur du TN inaccessible à nos mesures les objets ont bien traversés l’horizon. ( encore que si le TN s’évapore avant, est ce que ce moment arrive seulement un jour?)

Pourriez-vous m’éclairer sur ce que suggère la découverte récente de la fusion de trous noirs avec l’étude d’ondes gravitationnelles. S’agit il d’une fusion intégrale , c'est-à-dire que le résultat final observable aujourd’hui est bien un seul trou noir, une masse centrale, un horizon bien sphérique.
Mais dans ce cas est ce compatible avec ce que je crois comprendre des TN, car je me demande comment la masse d’un des TN peut franchir l’horizon de l’autre TN (et réciproquement) en si peu de temps de notre point de vue extérieur.
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[Deedee81]

Salut,

Il faut en effet distinguer le point de vue de celui qui tombe : il traverse l'horizon en un temps fini.
Et le point de vue extérieur : tout se fige en approchant l'horizon (bien que l'on n'a aucune chance de l'observer, rapidement y plus un seul photon émis, on peut calculer que le nombre de photons émis est fini (*)).

Mais note que cela s'applique aussi au trou noir lui même. La matière formant le trou noir se "figeant", pour un observateur extérieur, lorsque l'horizon est sur le point de se former.

Mais cette vue extérieur est trompeuse. En effet, il est seulement dû à la dilatation du temps extrême. Supposons que les frères Arthur et Benard sont ensembles. Bernad décide d'aller voir le trou noir et fonce vers lui. Arthur se dit il est fou, mais je vois qu'il s'est figé. Je vais foncer avec ma super fusée, le prendre par la main et le ramener.

Hélas, c'est possible s'il part à temps sinon il va rattraper Bernard.... sous l'horizon. Couic. Même si sa fusée va à la vitesse de la lumière (ou presque).

Il en est de même pour l'évaporation. Au niveau de l'horizon, la matière passe bel et bien. Et le rayonnement de Hawking est émit juste au-dessus de l'horizon et fait maigrir le TN (sa contrepartie d'énergie négative plongeant dans le TN).

Tout ça est si contre-intuitif qu'il est largement conseillé de raisonner avec des diagrammes de Penrose, bien adaptés.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Diagra...Penrose-Carter
J'ai décrit beaucoup de choses autour de ça dans ce résumé :
http://fr.scribd.com/doc/204166860/V...es-etoiles-pdf

Exemple, nos deux idiots Arthur et Bernard vont bien atteindre la "singularité" avant l'évaporation finale !
(avec des guillemets pour la singularité qui n'est qu'une approximation là où la relativité générale cesse d'être valide : tout près du centre)
(et attention aussi dans les raisonnements car dire "que se passe-t-il maintenant sous l'horizon" n'a pas de sens, on ne peut comparer facilement le temps extérieur et intérieur à cause de l'horizon, et la dialatation du temps extrême, qui forme une véritable coupure causale entre intérieur et extérieur. Donc ici le "avant l'évaporation finale" est du point de vue de nos deux voyageurs : ils ne vont pas voir le TN s'évaporer sous leurs pieds, malheureusement pour eux).

Comme à cause de (*) ci-dessus il est impossible de distinguer un trou noir d'une coquille de matière figée, et cette dernière n'étant que l'image (si on la voyait) du passé (dilatation du temps), on peut raisonner sans peine comme si le TN était tel qu'il est : avec un horizon et tout ça. Et la fusion est belle et bien intégrale. Le phénomène est d'une violence extrême (donc rapide même pour nous) et il n'y a pas "passage" des masses à travers les horizon mais fusion des horizons. Ce qu'on observe nous est surtout l'espace-temps extérieur qui se remanie et émet des vagues, les ondes gravitationnelles

A noter qu'il est encore moins intuitif de raisonner sur les fusions car on ne sait même pas les calculer à la main. Il faut des supercalculateurs. Et c'est même difficile à visualiser avec une simulation tant l'espace-temps est déformé.

[invitec21fa021]

(avec des guillemets pour la singularité qui n'est qu'une approximation là où la relativité générale cesse d'être valide : tout près du centre)

La singularité n'est pas un lieu mais un temps, et doit être comprise comme le futur de ce qui a passé l'horizon des événements.

Je comprends bien qu'en vulgarisation cela est souvent dit, et ma remarque ne se veut pas polémique ni pour pinailler, mais juste pour but éventuellement d'attiser la curiosité de cocomos77.

[Deedee81]

La singularité n'est pas un lieu mais un temps, et doit être comprise comme le futur de ce qui a passé l'horizon des événements.

Je comprends bien qu'en vulgarisation cela est souvent dit, et ma remarque ne se veut pas polémique ni pour pinailler, mais juste pour but éventuellement d'attiser la curiosité de cocomos77.

Ca ne change pas grand chose pour ce qui est des guillemets Mais la remarque est juste et illustre là aussi le caractère contre-intuitif de ces grosses bêtes.

En plus j'ose pas trop conseiller la lecture d'un vrai cours sur la RG. C'est franchement ardu.

[A voir en vidéo sur Futura]

[cocomos77]

Deedee, toujours au taquet, à peine le temps de prendre un apéro que tu avais déjà répondu!!!
Merci à toi, et aux autres.

Cette question m'est venu après avoir commencé à lire un magazine qu'il me semble tu avais conseillé, un hors série Pour La Science enquête sur l'univers noir. Il est passionnant.

En fait je me demandais si l'étude du spectre des ondes gravitationnelles mesurées et attribué à la fusion de 2 TN correspondait bien à une observation finale d'un trou noir formé unique, avec horizon sphérique et "singularité" (même si je n'aime pas ce mot) ou bien d'un trou noir en devenir.

C'est dur à formuler mais en gros est-il possible de distinguer par la mesure, observation des ondes gravitationnelles un trou noir déjà formé dans notre temps, conséquence de la fusion de 2 TN, et est ce bien ce qui a été mesuré dans les expériences ligo virgo ou alors ce qui a été mesuré est-ce la manifestation d'un trou en devenir, c'est à dire un horizon d'un TN globale dont les masses centrales n'ont pas encore véritablement fusionnées de notre point de vue.

[Deedee81]

En fait je me demandais si l'étude du spectre des ondes gravitationnelles mesurées et attribué à la fusion de 2 TN correspondait bien à une observation finale d'un trou noir formé unique, avec horizon sphérique et "singularité" (même si je n'aime pas ce mot) ou bien d'un trou noir en devenir.

Une fois la fusion entamée (contact des horizons) vu de l'extérieur il ne faut que quelques secondes pour que le TN devienne sphérique après quelques "oscillations", ou plutôt son horizon (cette partie assez étroite du spectre intéresse pas mal les théoriciens d'ailleurs, mais faudra encore améliorer les mesures).

Et ça n'a pas de sens de comparer le temps qui s'écoule dans et hors du trou noir (voir mon message précédent). Et donc ça na pas beaucoup de sens de dire, vu de l'extérieur, "est-ce que les singularités/masses centrales ont déjà fusionnés". C'est comme regarder la bobine du film "Titanic" posée sur la table et le pointer du doigt en disant "est-ce que Jack Dawson est déjà mort ?" (le personnage, pas le vrai)

On peut donc dire que oui, on a là un bon vieux TN habituel.

[Gilgamesh]

Juste une précision sur la durée nécessaire à l'horizon pour se relaxer : ça dépend de la masse. Le trou noir évacue une perturbation sous forme de série d'oscillation : les "modes quasi-normaux" (QNM). La durée de ces modes et leur fréquence dépend de la masse du trou noir (un peu de la même façon que comparée à une clochette de restaurant, une cloche d'église résonne plus longuement avec un timbre plus grave ).

Pour 10 masses solaires :
fréquence ~1kHz
durée ~ 50 ms

Pour 10⁶ masses solaires
fréquence ~1mHz
durée ~ 50 s

[cocomos77]

Ok donc ce que l’on observe/mesure aujourd’hui est un TN fini avec horizon sphérique. Mais comme les « singularités » respectives des 2 TN fusionnés sont encore de notre point de vue loin l’une de l’autre, j’ai du mal à comprendre comment la somme de leur champs gravitationnels induit un champ gravitationnel sphérique avec horizon sphérique, c'est-à-dire que l’astre formé de la fusion est bien un astre avec masse centrale engendrant un champ gravitationnel sphérique.

Je vais essayer de développer. Une masse très concentré, induit un champ gravitationnel sphérique, je veux dire par là qu’en tout point d’une sphère de rayon X existe une force gravitationnelle Y dirigée vers le centre invariante quelque soit la position sur cette sphère. Tout ça loin de toute autre influence gravitationnelle extérieur significative bien entendu.
Maintenant dans le cas de 2 TN en fusion, le temps se fige de notre point de vue pour toute particule proche ou dans l’horizon, donc les deux masses centrales des TN sont encore loin de fusionner et peuvent même se situer à plusieurs dizaines de millier de km (selon leur masse) pour encore très très longtemps de notre point de vu.
Donc là je comprends pas bien comment la résultante gravitationnelle des 2 TN peut induire un champ gravitationnel sphérique "aujourd'hui".

D’ailleurs il doit être possible de confirmer ou infirmer l’un ou l’autre cas en mesurant des trajectoires d’objet en orbite autour d’un ancien couple de trou noir ayant fusionné.
La trajectoire d’un objet proche de la masse d’un astre n’est pas la même qu’autour d’une masse équivalente mais reparti dans l’espace entre deux astres. Enfin j’imagine.

[mach3]

Mais comme les « singularités » respectives des 2 TN fusionnés sont encore de notre point de vue loin l’une de l’autre

Comme déjà mentionné, les singularités n'etant pas des lieux, cela n'a aucun sens de dire si elles sont loin l'une de l'autre ou pas. La singularité est un futur. Elle advient donc forcément après la fusion. Et donc il n'y en aura qu'une seule (noter l'usage du futur).

m@ch3

[cocomos77]

D'accord, donc il y aura (futur) une seule singularité mais ce que l'on peut mesurer aujourd'hui avec les ondes gravitationnelles (ou ce que l'on pourrait avec des trajectoires d'objets) correspond quand même à un trou noir avec une seule singularité.
Quelque chose m'échappe mais je sais que ça vient de moi. « Je ne sais qu'une chose, c'est que je ne sais rien »

J’essai juste de pousser l’intuition au maximum mais la réalité ne s’apprivoise pas aisément et certainement pas à coup de sens commun.
Si je veux en comprendre d’avantage je n’ai qu’à bosser à fond la relativité générale, en attendant j’adopte la posture la plus saine qui soit selon moi : je fais confiance aux scientifiques.

Merci à tous.

[mach3]

La singularité n'a pas d'impact sur les ondes gravitationnelles ou les trajectoires d'objets. Elle ne peut pas être une cause vu qu'elle est un futur ultime pour ce qui franchi l'horizon (les causes sont forcément dans le passé...). Ce qu'on observe a pour cause le ou les astres en effondrement avant qu'ils ne deviennent plus petits que leurs rayons de Schwarzschild. La géométrie de l'espace-temps environnant deux trous noirs qui se tournent autour puis fusionnent n'est conditionnée ni par les horizons ni par la singularité mais par la configuration qui existait avant que ces horizons apparaissent. C'est cette géométrie qui dicte les trajectoire des corps, et ce sont les changements de cette géométrie, qui se propagent de proche en proche qu'on mesure comme onde gravitationnelle. Dans les simulations de fusions de trous noirs, on ne calcule même pas ce qui se passe dans/après les horizons.

Par ailleurs, la façon dont la géométrie dicte les mouvements n'est pas aussi simple que ce que l'on pourrait croire, surtout dans des cas dynamiques comme une fusion de trous noirs. Ce qui suit n'est pas valable dans le cas extrême d'une fusion de trous noirs, et est donné de façon simplifiée, mais donne une idée. Il s'agit d'une approximation de la RG qu'on appelle gravitomagnétisme par analogie avec l'électromagnétisme auquel il ressemble.
En électromagnétisme, on a un champ électrique dont les sources sont les charges non pas dans leurs positions actuelles, mais dans leurs positions retardées et un champ magnétique dont les sources sont les mouvements des charges (leurs vitesses). Dans le cas de charges en mouvement rectiligne uniforme, cela donne l'impression que les forces pointent vers les positions actuelles (position retardée + vitesse -> extrapolation de la position actuelle). Si en plus il y a des charges accélérées, il y a un rayonnement électromagnétique qui met à jour les champs électriques et magnétiques de proche en proche, cela donne toujours l'impression que les forces pointent vers les positions actuelles (position retardée + vitesse + accélération -> extrapolation de la position actuelle)
On peut considérer comme en electromagnétisme qu'il y a un champ gravitationnel de type électrique (c'est la loi en GMM'/r² chez Newton) dont les sources sont les masses dans leurs positions retardées et qu'il y a un champ gravitationnel de type magnétique dont la source est le mouvement des masses. Enfin, il y a un rayonnement (les ondes gravitationnelles) dont le rôle est de mettre à jour le champ de proche en proche et qui est émit lors de certains mouvement accélérés.

m@ch3

[cocomos77]

Je crois que j’ai bien la réponse à ma question de départ et que je la saisis.
En réalité j’avais mal interprété ce qui était mesuré lors de ces observations de 2 TN en fusion d’où ma question de départ, très mal formulée.
Ce qui est simulé, observé, mesuré aujourd’hui avec les ondes gravitationnelles correspond bien à la fusion de 2 astres (futurs TN) en cours d’effondrement.

Par contre il y a quelque chose qui me chiffonne, d’ailleurs je devrais peut-être en parler dans un autre post (au modérateurs de voir) : en essayant de visualiser (mauvaise idée je sais) un astre, futur TN, en cour d’effondrement j’ai l’impression que son observations, du moins l’observation de la trajectoire d’un rayonnement ou objet aux alentours donnerait des résultats différents par rapport au même genre d’observation mais d’un TN déjà formé de nos jours, si tant est qu’il puisse exister de tel astre compte tenu de l’âge relativement jeune de notre univers.

[invitec21fa021]

Par contre il y a quelque chose qui me chiffonne, d’ailleurs je devrais peut-être en parler dans un autre post (au modérateurs de voir) : en essayant de visualiser (mauvaise idée je sais) un astre, futur TN, en cour d’effondrement j’ai l’impression que son observations, du moins l’observation de la trajectoire d’un rayonnement ou objet aux alentours donnerait des résultats différents par rapport au même genre d’observation mais d’un TN déjà formé de nos jours, si tant est qu’il puisse exister de tel astre compte tenu de l’âge relativement jeune de notre univers.

Qu'importe son état, il a peu ou prou la même masse, donc les mêmes effets, les mêmes résultats, astres en cours d'effondrement ou pas, c'est idem, ce qui qualifie un trou noir c'est uniquement l'horizon des événements.

[invite741b54dd]

Bonjour,

Ce qu'on observe a pour cause le ou les astres en effondrement avant qu'ils ne deviennent plus petits que leurs rayons de Schwarzschild.

ça a autant de sens que de dire que tout a pour cause le Big bang...

La géométrie de l'espace-temps environnant deux trous noirs qui se tournent autour puis fusionnent n'est conditionnée ni par les horizons ni par la singularité mais par la configuration qui existait avant que ces horizons apparaissent.

même remarque

Dans les simulations de fusions de trous noirs, on ne calcule même pas ce qui se passe dans/après les horizons.

faux. Dans les simulations on calcule l'évolution d'une grande région de l'espace(-temps) qui comporte une partie interne aux trous noirs, même si on ne sait pas rigoureusement où se trouve l'horizon des événements car celui-ci ne peut être déterminé qu'en ayant la donnée de l'ensemble de la variété espace-temps, ce qu'on n'a jamais (surtout dans une simulation numérique approximative et de durée finie). Ce qui est fait en pratique c'est calculer l'évolution de la géométrie en retirant une partie arbitraire (dont on sait qu'elle est non-observable car interne à l'horizon des événements) et suivre le comportement des horizons apparents qui sont des objets non-physiques (car dépendant du choix de coordonnées), mais à partir desquels on peut déterminer les grandeurs pertinentes et mesurables (masse, spin, etc).

En réalité j’avais mal interprété ce qui était mesuré lors de ces observations de 2 TN en fusion d’où ma question de départ, très mal formulée. Ce qui est simulé, observé, mesuré aujourd’hui avec les ondes gravitationnelles correspond bien à la fusion de 2 astres (futurs TN) en cours d’effondrement

non. Ce sont des fusions de trous noirs. Point.

[invitec21fa021]

non. Ce sont des fusions de trous noirs. Point.

Sur quoi vous appuyez-vous? Si c'est sur la théorie de la relativité générale, les objets trous noirs( donc uniquement définis par leurs horizons des événements), sont dans "l'infini futur de l'observateur", donc en rapport à la RG ce sont des astres en cours d'effondrement, mais n'étant pas expert je serais intéressé.

Je parle juste au niveau théorique, donc en m'appuyant sur la meilleure théorie descriptive pour ce cas (hors TQC), et le modèle mathématique de cette théorie me semble très clair, où est-ce que je me trompe? (je ne remets pas en cause une "existence" de trou noir, mais juste ce que l'on peut en dire et la façon dont on peut en parler donc vis à vis de la théorie).

Ce qui est fait en pratique c'est calculer l'évolution de la géométrie en retirant une partie arbitraire (dont on sait qu'elle est non-observable car interne à l'horizon des événements) et suivre le comportement des horizons apparents qui sont des objets non-physiques (car dépendant du choix de coordonnées)

L'horizon des événements n'est pas une caractéristique intrinsèque? un absolu en RG? Vous devez parlez je pense de ce que l'on nomme "l'ombre d'un trou noir" non? votre phrase me semble faire l'amalgame entre l'horizon et le coté "shadow". L'ombre n'a pas les même coordonnées que l'horizon, il ne s'agit pas (je peux me tromper) juste de mettre de coté la partie interne de l'horizon des événements.

[invitec21fa021]

Pour préciser ma réponse, l'horizon apparent n'est pas l'horizon des événements (je ne précise pas pour vous mais pour le lecteur moins averti, d'où un éventuel amalgame à la lecture).

[invite741b54dd]

Bonsoir,

Sur quoi vous appuyez-vous? Si c'est sur la théorie de la relativité générale, les objets trous noirs( donc uniquement définis par leurs horizons des événements), sont dans "l'infini futur de l'observateur", donc en rapport à la RG ce sont des astres en cours d'effondrement, mais n'étant pas expert je serais intéressé.

En RG, où dans toute autre théorie relativiste de la gravitation, on définit l'objet trou noir indépendamment de l'observateur par ses propriétés intrinsèques. La notion d'horizon des événements est quant à elle principalement utilisée en "relativité mathématique" : elle désigne certes un objet géométrique absolu, mais il est d'intérêt physique très restreint. Les physiciens définissent les trous noirs à partir d'autres notions (horizons isolés ou dynamiques), qui rejoignent celle d'horizon des événements dans les situations simples mais sont plus adaptées à la description de situations générales réalistes.

Vous pouvez vous convaincre du caractère "trop mathématique" de l'horizon des événements en réfléchissant plus en détails à ce que vous disiez : pour un observateur donné, puisque la précision des mesures est finie et qu'il n'y a par exemple aucun sens à parler de distances plus petites que l'échelle de Planck, l'infini futur est un concept mathématiquement extrémiste dont l'intérêt est limité dès lors que l'on parle de physique "appliquée" plutôt que de démonstrations rigoureuses. Quand un astre s'effondre, un observateur "voit" un trou noir au bout d'un temps fini (si c'est bien un tel corps qui se forme).

Après, là où on pourrait critiquer ma réponse précédente, c'est sur le fait que j'ai affirmé qu'on avait "observé" une fusion de trous noirs. Car même si cela reste la meilleure explication possible, on peut imaginer d'autres astres exotiques, en particulier dans des théories alternatives de la gravitation, qui pourraient rendre compte des observations en raison de leur précision encore limitée.

L'horizon des événements n'est pas une caractéristique intrinsèque? un absolu en RG?

je n'ai jamais dit ça. Relisez mieux.

Vous devez parlez je pense de ce que l'on nomme "l'ombre d'un trou noir" non?

absolument pas. Je dis juste que :
- dans les simulations de relativité numérique actuelles, on simule en général l'évolution d'une région de l'espace dont une partie est située à l'intérieur du trou noir
- dans cette région, on ne sait pas exactement où le trou noir "commence rigoureusement" car on ne sait pas déterminer la position de l'horizon des événements
- mais que cela ne nous empêche pas de déterminer les propriétés physiques observables car celles-ci sont calculables à partir de la géométrie de l'horizon apparent que l'on sait trouver et qui a plus de sens physique que l'horizon des événements

[invitec21fa021]

Après, là où on pourrait critiquer ma réponse précédente, c'est sur le fait que j'ai affirmé qu'on avait "observé" une fusion de trous noirs. Car même si cela reste la meilleure explication possible, on peut imaginer d'autres astres exotiques, en particulier dans des théories alternatives de la gravitation, qui pourraient rendre compte des observations en raison de leur précision encore limitée.

C'était juste ce point qui m'interpellait, tout comme vous le trou noir me semble logiquement la meilleure explication concernant un astre en effondrement mais qui sait?

- dans les simulations de relativité numérique actuelles, on simule en général l'évolution d'une région de l'espace dont une partie est située à l'intérieur du trou noir
- dans cette région, on ne sait pas exactement où le trou noir "commence rigoureusement" car on ne sait pas déterminer la position de l'horizon des événements
- mais que cela ne nous empêche pas de déterminer les propriétés physiques observables car celles-ci sont calculables à partir de la géométrie de l'horizon apparent que l'on sait trouver et qui a plus de sens physique que l'horizon des événements

D'accord, merci des précisions, effectivement votre affirmation m'ayant "choqué" à la première lecture j'ai relu votre post avec un a-priori occultant ce que vous disiez pour ne lire que sous ce prisme négatif qui m'a fait interpréter votre post un peu n'importe comment (je m'en aperçois avec le recul...). Donc, désolé et merci d'avoir remis les pendules à l'heure.

[cocomos77]

Ok, en fait je distinguais ce qui est de notre point de vue et ce qui sera, sachant que causalement parlant ce qui est n’existe déjà plus pour nous aujourd’hui et est donc inaccessible, quand je dis ce qui est je veux dire ce qu'on peut imaginer être mais en fait je comprends que ça n'a pas réellement de sens car c'est l'histoire d'un espace temps qui n'existe plus d'un point de vue pratique.

Donc un astre en effondrement vers un trou noir est d’un point de vue pratique un trou noir mais que d’un point de vue pratique on travaille avec l’horizon apparent et non l’horizon des évènements, car d’un point de vue observationnel cela donne "pratiquement" les mêmes résultats.

Donc on peut bien parler de la fusion de 2 trous noirs.