Modèle de trou noir

Comprendre de façon basique ce qu’est un trou noir et comment sa gravité impacte l’espace-temps en construisant un modèle physique.

• Introduire le concept des trous noirs, de la gravité, et de l’espace-temps
• Les élèves construisent un modèle physique de la courbure de l’espace atour d’un objet massif et observent ses effets sur un objet moins massif.
• Les élèves sont capables de décrire ce qui se passe lorsqu’un objet s’approche d’un puits de gravité, si la vitesse de l’objet n'est pas assez élevée ou si le puits de gravité est trop profond.

Pendant (ou après l’activité), demandez aux élèves de décrire ce qu’ils observent : comment les objets de masses différentes (et gravité différente) impactent l’espace-temps?

Exemples de questions :

• Si une balle moins massive était utilisée, comment le comportement des billes en marbres changerait-il? (Réponse: La balle moins massive a une gravité plus faible, donc la distorsion de l'espace-temps est réduite. Par conséquent, la trajectoire des billes en marbres sera moins dirigée vers la balle alors qu'elles circulent plus lentement.)
• Si la bille en marbre et la balle avaient la même masse, comment se comporteraient-elles ? (Réponse: Avec la même gravité, elles déformeraient l'espace-temps de façon égale, alors elles s'orienteraient l'une vers l’autre, perdant de l'énergie jusqu'à ce qu'elles «tombent» l'une sur l'autre.)
• Si vous faisiez rouler les billes avec plus de force, que se passerait-il? (Réponse: Les billes en marbres auraient plus d'énergie et se déplaceraient plus vite. Si elles ne passaient pas trop près de la balle, elles la dépasseraient plutôt que de tomber sur elle. La trajectoire des billes sera légèrement déformée par rapport à une ligne droite.

• Bandage élastique utilisé pour les blessures musculaires
• Petite bille en marbre
• Balle très lourde (comme une boule de pétanque)

Gravité

La gravité est une force d’attraction entre deux objets. Tout objet avec une masse (un poids) a une gravité. La gravité attire comme un magnet. Ce qui cause la gravité n’est pas vraiment connu. La Terre a une gravité, qui permet de retenir tout objet situé à une distance proche de la planète : les arbres, l’eau, les animaux, les maisons, et l’air que nous respirons sont retenus par la gravité. Toutes les planètes, les étoiles, et les lunes de l’Univers ont aussi une gravité. Même nos corps exercent une gravité sur d’autres objets. La gravité de la Terre est beaucoup plus forte que la nôtre ce qui rend la gravité de nos corps imperceptible.

La gravité est affectée par la taille et la proximité d’objets. La Terre et la Lune ont une attraction plus forte que la Terre et Jupiter parce que la Terre et la Lune sont plus proches l'une de l'autre. La Terre a une attraction plus forte que la Lune parce qu'elle est plus grande, c’est pour cette raison qu’il y a plus de forces sur nos corps sur la Terre que sur les corps d’astronautes sur la Lune. Ainsi, les astronautes peuvent sauter plus haut sur la lune que sur Terre. En fait, nous ne ressentons pas la gravité. Nous ne ressentons que ses effets lorsque nous sautons, ou lorsque nous tombons. L'homme qui a pensé à la «loi universelle de la gravitation» a été inspiré par une pomme lui tombant sur la tête alors qu'il était assis dans son jardin. La pomme est tombée par terre à cause de la gravité !

Les trous noirs

Un trou noir est une région de l’espace dans laquelle la gravité est si forte que rien de ce qui y entre ne peut en sortir, pas même la lumière ! Les trous noirs se forment quand une étoile massive manque de carburant et devient incapable de supporter le poids de ses couches extérieures, lourdes de gaz. Si l'étoile est assez grande - environ 25 masses solaires - alors la gravité attire les gaz. L'étoile devient alors de plus en plus petite jusqu'à ce que sa densité atteigne l'infini en un seul point. C'est ce qu'on appelle une «singularité». Après la formation du trou noir, celui-ci peut continuer à croître en absorbant la masse d’objets se trouvant dans son environnement, comme d'autres étoiles et d'autres trous noirs. Si un trou noir absorbe suffisamment de matière, passant à plus d'un million de masses solaires, il devient un «trou noir super-massif». On pense que des trous noirs super-massifs existent dans le centre de la plupart des galaxies, y compris dans le centre de la Voie Lactée.

Un trou noir se compose de trois parties: la singularité (l'étoile effondrée), l'horizon des événements intérieur (la région autour de la singularité où rien, pas même la lumière, ne peut échapper), et l'horizon des événements extérieur (où les objets ressentiront la gravité du trou noir mais ne seront pas piégés). Les astronomes observent généralement les objets dans l'espace en regardant la lumière. Cependant, comme les trous noirs n'émettent aucune lumière, ils ne peuvent pas être observés de la façon habituelle. Pour étudier un trou noir, les astronomes doivent visualiser l'interaction entre le trou noir et d'autres objets. Par exemple, lorsque les trous noirs attirent un matériel, comme de l'eau qui est aspirée par un orifice, le matériel forme un disque autour du trou noir. Le disque tourne de plus en plus vite et chauffe à des températures extrêmes, causant l’émission d'énormes quantités de lumière et de matériel dans l'espace. S'ils sont dirigés vers nous, ces jets sont extrêmement lumineux et peuvent facilement être captés par des télescopes sur Terre. Pour les trous noirs qui ne sont pas «nourris», une façon de les détecter est d'observer les mouvements des étoiles autour du trou noir, puisque leurs orbites seront altérées par sa présence.

L’espace-temps

L'espace se compose de trois dimensions (haut-bas, gauche-droite et avant-arrière). Si vous ajoutez le temps comme quatrième dimension, alors vous obtenez ce qu'on appelle le continuum espace-temps. Cela peut sembler étrange, mais imaginez que vous avez rendez-vous avec quelqu'un. Pour rencontrer cette personne, vous devez savoir à quel endroit (place dans l'espace) mais vous devez également savoir à quelle heure !

Albert Einstein a été le premier à proposer l'idée du «tissu de l'espace» (espace-temps), dans sa «Théorie générale de la relativité». Avant les théories d'Einstein, on croyait que la gravité était une force, comme l'expliquait Isaac Newton. Mais la théorie générale de la relativité d'Einstein explique la gravité comme une «courbure de l'espace-temps». Ce concept peut être imaginé en visualisant l'espace-temps comme une feuille de caoutchouc. Des boules posées sur la feuille de caoutchouc plient la feuille autour d'elles, de façon semblable, la matière plie l'espace-temps.

Dans l’activité suivante, les élèves construisent un modèle de trou noir qui leur permettra de visualiser comment un trou noir peut faire plier l’espace et le temps et affecter des objets proches. L’activité dure à peu près une heure.

Etape 1

Avant de commencer l'activité, utilisez la section «Informations de base» pour présenter aux enfants le concept de gravité. Vous pouvez raconter l'histoire d'Isaac Newton et du pommier, et faire sauter tous les enfants pour qu’ils sentent la gravité les ramener sur terre.

Etape 2

Coupez un morceau de bandage élastique de 40 cm de côté.

Etape 3

Demandez à plusieurs élèves de tendre le bandage horizontalement pour qu’il représente l’espace bidimensionnel. Notez que les élèves doivent rester immobiles en tenant le bandage pour que leurs mouvements n’affectent pas l’expérience.

Etape 4

Placez la bille en marbre sur le bandage et faites-la rouler sur sa surface. La trajectoire de la bille doit suivre une ligne droite, semblable à celle d'un rayon de lumière voyageant dans l'espace.

Etape 5

Changez la bille en marbre par une balle lourde. Lorsque vous placez la boule sur le bandage, notez la façon dont elle déforme le tissu de «l'espace». L'espace s’incurve autour de l'objet.

Etape 6

Faites rouler la bille de marbre à proximité de la boule. La trajectoire de la bille doit maintenant être altérée par la déformation du bandage. Ceci est semblable à ce qui arrive à la lumière passant près d'un objet massif qui déforme l'espace. Essayez de faire varier la vitesse de la bille pour voir comment change sa trajectoire.

Etape 7:

Plus la masse centrale est concentrée (c'est-à-dire, plus la boule centrale est lourde), plus le bandage sera courbé. Cela augmente la profondeur du «puits gravitationnel» dont la bille ne pourra plus échapper.

Etape 8:

Quand la bille s’approche de la boule, elle commence à tourner autour du «trou noir» (de la boule) et finit par tomber à l’intérieur. Vous comprenez maintenant comment des objets peuvent facilement tomber dans un trou noir, mais ne peuvent pas en sortir. La gravité des trous noirs déforme l'espace de telle manière que la lumière ou d'autres objets tombent à l’intérieur et ne peuvent pas s'échapper.

Space Awareness curricula topics (EU and South Africa)

Our wonderful Universe, the origin and structure of the Universe

National UK

KS3 - Physics, Motion and Forces: Forces (gravity) KS2: Year 5 - Science, Forces and Magnets

Vous pouvez trouver des informations sur les trous noirs sur le site 'Ask a Astronomer' de l'Université Cornell. Le site fournit des réponses à de nombreuses questions et précise le niveau de difficulté: débutant, intermédiaire, avancé. http://curious.astro.cornell.edu/blackholes.php Une vidéo du European Southern Observatory montrant de vraies données obtenues sur des étoiles en orbite autour d'un trou noir: http://www.eso.org/public/videos/eso0846a/

Un site interactif du Space Telescope Science Institute avec de nombreuses informations sur les trous noirs ainsi que des activités et des expériences en ligne : Http://hubblesite.org/explore_astronomy/black_holes/

Après l’activité :

• Que se passe-t-il lorsque vous diminuez la vitesse de la bille? Pourquoi?
• Que se passe-t-il lorsque vous utilisez une balle plus lourde? Et une bille plus lourde ?
• Comment pourriez-vous savoir s'il y a un trou noir quelque part dans l’espace en observant les mouvements des étoiles?