Ils sont noirs, comme des trous sans fond. Comment les appelleriez-vous ?- Moi, quand un ami m’a demandé pourquoi ils s’appelaient ce qu’ils sont
Ah, les trous noirs. L’inducteur de frissons ultime du cosmos, les requins qui jaillent, les araignées qui fuient, qui font peur um euh, quelque chose d’effrayant. Mais nous sommes fascinés par eux, n’en doutons pas – même si nous ne les comprenons pas beaucoup.
Mais alors, c’est pour ça que je suis ici. Permettez-moi d’être votre guide à l’infini. Ou l’inverse, je suppose. Comme c’est Halloween, cela semble approprié … et mon livre La mort du ciel! je viens de sortir, et il y a plein de façons qu’un trou noir puisse détruire la Terre. Mwuhahahaha.
Donc, ci-dessous, je présente dix faits sur les trous noirs — le troisième de ma série de Dix Choses que vous ne savez pas (le premier était sur la Voie Lactée; le second sur la Terre). Les lecteurs réguliers en connaîtront quelques-uns puisque j’en ai déjà parlé, mais j’espère que vous ne les connaissez pas tous. Et si vous le faites, n’hésitez pas à laisser un commentaire sur votre intelligence supérieure. Attention, cette liste est loin d’être complète: j’aurais pu choisir probablement 50 choses bizarres à propos des trous noirs. Mais j’aime ça.
Ce n’est pas leur masse, c’est leur taille qui les rend si forts.
OK, d’abord, une amorce très rapide sur les trous noirs. Supportez-moi!
La façon la plus courante pour un trou noir de se former est au cœur d’une étoile massive. Le noyau est à court de carburant et s’effondre. Cela déclenche une onde de choc, faisant exploser les couches externes de l’étoile, provoquant une supernova. Ainsi, le cœur de l’étoile s’effondre tandis que le reste explose vers l’extérieur (c’est la version des notes de la falaise; pour plus de détails sur le processus — ce qui est bien cool, vous devriez donc le lire — consultez ma description).
Lorsque le noyau s’effondre, sa gravité augmente. À un moment donné, si le noyau est suffisamment massif (environ 3 fois la masse du Soleil), la gravité devient si forte qu’à la surface du noyau qui s’effondre, la vitesse d’échappement augmente jusqu’à la vitesse de la lumière. Cela signifie que rien ne peut échapper à la gravité de cet objet, pas même la lumière. Donc c’est noir. Et puisque rien ne peut échapper, eh bien, lisez la citation en haut de la page.
La région autour du trou noir lui-même où la vitesse d’échappement est égale à la vitesse de la lumière est appelée horizon des événements. Tout événement qui se produit à l’intérieur est à jamais invisible.
OK, alors maintenant vous savez ce qu’on est et comment ils se forment. Maintenant, je pourrais expliquer pourquoi ils ont une telle gravité, mais vous savez quoi? Je préfère laisser ce type le faire. Il paraît qu’il est bon.
Alors voilà. Bien sûr, la masse est importante, mais parfois ce sont les petites choses qui comptent.
Ils ne sont pas infiniment petits.
Alors OK, ils sont petits, mais à quel point sont-ils petits?
J’écrivais sur les trous noirs dans mon travail précédent, et nous avons eu une discussion amusante sur ce que nous entendons par trou noir: entendons-nous l’objet lui-même qui s’effondre jusqu’à un point mathématique, ou l’horizon des événements qui l’entoure? J’ai dit l’horizon des événements, mais mon patron a dit que c’était l’objet. J’ai décidé qu’elle avait un point (HAHAHAHAHA! Un « point » ! Homme, je me tue), et je me suis assuré que lorsque j’écrivais sur l’horizon des événements par rapport au trou noir lui-même, je me précisais.
Comme je l’ai dit ci-dessus, au cœur qui s’effondre, son horloge continue de tourner, de sorte qu’elle se voit s’effondrer jusqu’à un point, même si l’horizon des événements a une taille finie.
Qu’arrive-t-il au noyau ? La masse réelle qui s’est effondrée?
Ici, nous ne saurons jamais avec certitude. Nous ne pouvons pas voir à l’intérieur, et ça ne va pas envoyer d’infos. Mais nos calculs dans ces situations sont plutôt bons, et nous pouvons au moins les appliquer au noyau qui s’effondre, même s’il est plus petit que l’horizon des événements.
Il continuera à s’effondrer et la gravité augmentera. Plus petit, plus petit… et quand j’étais enfant, je lisais toujours qu’il s’effondre jusqu’à un point géométrique, un objet sans dimensions du tout. Cela m’a vraiment dérangé, comme vous pouvez l’imaginer as aussi bien qu’il le devrait. Parce que c’est faux.
À un moment donné, le noyau qui s’effondre sera plus petit qu’un atome, plus petit qu’un noyau, plus petit qu’un électron. Il finira par atteindre une taille appelée Longueur de Planck, une unité si petite que la mécanique quantique la gouverne d’une main de fer. Une longueur de Planck est une sorte de limite de taille quantique: si un objet devient plus petit que cela, nous ne pouvons littéralement pas en savoir grand-chose avec certitude. La physique réelle est compliquée, mais à peu près lorsque le noyau qui s’effondre atteint cette taille, même si nous pouvions en quelque sorte percer l’horizon des événements, nous ne pouvions pas mesurer sa taille réelle. En fait, le terme « taille réelle » ne signifie pas vraiment quoi que ce soit à ce genre d’échelle. Si l’Univers lui-même vous empêche de le mesurer, autant dire que le terme n’a pas de sens.
Et quelle est la petite longueur d’un Planck? Minuscule: environ 10 ^-35 mètres. C’est cent quintillions de la taille d’un proton.
Donc, si quelqu’un dit qu’un trou noir a une taille nulle, vous pouvez être tout geek et technique et dire, pas vraiment, mais meh. Assez près.
Ce sont des sphères. Et ils ne sont certainement pas en forme d’entonnoir.
La gravité que vous ressentez d’un objet dépend de deux choses: la masse de l’objet et votre distance par rapport à cet objet. Cela signifie que toute personne à une distance donnée d’un objet massif — disons un million de kilomètres — en ressentirait la même force de gravité. Cette distance définit une sphère autour d’un objet: n’importe qui à la surface de cette sphère ressentirait la même gravité de l’objet au centre.
La taille d’un horizon des événements d’un trou noir dépend de la gravité, donc en réalité l’horizon des événements est une sphère entourant le trou noir. De l’extérieur, si vous pouviez comprendre comment voir l’horizon des événements en premier lieu, cela ressemblerait à une sphère noire.
Certaines personnes pensent que les trous noirs sont des cercles, ou pire, en forme d’entonnoir. La chose de l’entonnoir est une idée fausse de la part des gens qui essaient d’expliquer la gravité comme une flexion dans l’espace, et ils simplifient les choses en effondrant l’espace 3D en 2D; ils disent que l’espace est comme un drap de lit et que les objets avec une masse plient l’espace de la même manière qu’un objet massif (une boule de bowling, disons) déformera un drap de lit. Mais l’espace n’est pas 2D, c’est 3D (même 4D si vous incluez le temps) et donc cette explication peut dérouter les gens sur la forme réelle d’un horizon d’événements de trou noir.
J’ai eu des enfants qui me demandaient ce qui se passait si vous approchiez d’un trou noir par le dessous ! Ils ne comprennent parfois pas que les trous noirs sont des sphères et qu’il n’y a pas de dessous. Je blâme l’histoire de l’entonnoir. Malheureusement, c’est la meilleure analogie que j’ai vue, alors nous sommes coincés avec ça. Utilisez-le avec soin.
Les trous noirs tournent !
C’est une pensée étrange, mais les trous noirs peuvent tourner. Les étoiles tournent, et lorsque le noyau s’effondre, les vitesses de rotation montent de manière, de manière (l’analogie habituelle est celle d’un patineur qui amène dans ses bras, augmentant son taux de rotation). À mesure que le noyau de l’étoile devient plus petit, il tourne plus rapidement. Si elle n’a pas assez de masse pour devenir un trou noir, la matière est comprimée pour former une étoile à neutrons, une boule de neutrons de quelques kilomètres de diamètre. Nous avons détecté des centaines de ces objets, et ils ont tendance à tourner très rapidement, parfois des centaines de fois par seconde !
Il en va de même pour un trou noir. Même si la matière se rétrécit plus petite que l’horizon des événements et est perdue pour toujours dans l’Univers extérieur, la matière tourne toujours. Ce que cela signifie n’est pas tout à fait clair si vous essayez de calculer ce qui arrive à la matière une fois qu’elle est à l’intérieur de l’horizon des événements. La force centrifuge l’empêche-t-elle de s’effondrer jusqu’à la longueur de Planck? Le calcul est diabolique, mais réalisable, et implique que la matière qui tombe frappera la matière à l’intérieur de l’horizon des événements en essayant de tomber plus loin mais incapable de le faire en raison de la rotation, Cela provoque une accumulation massive et des feux d’artifice assez spectaculaires that que nous ne verrons jamais, car c’est de l’autre côté de l’infini. Dommage.
Près d’un trou noir, les choses deviennent bizarres.
La rotation du trou noir jette un singe dans la clé de l’horizon des événements. Les trous noirs déforment le tissu de l’espace lui-même, et s’ils tournent, cette distorsion elle-même est déformée. L’espace peut s’enrouler autour d’un trou noir — un peu comme le tissu d’une feuille qui se coince dans un foret rotatif.
Cela crée une région de l’espace en dehors de l’horizon des événements appelée ergosphère. C’est un sphéroïde oblat, une forme de boule aplatie, et si vous êtes en dehors de l’horizon des événements mais à l’intérieur de l’ergosphère, vous constaterez que vous ne pouvez pas rester immobile. Littéralement. L’espace est traîné devant vous et vous transporte avec lui. Vous pouvez facilement vous déplacer dans le sens de la rotation du trou noir, mais si vous essayez de survoler, vous ne pouvez pas.En fait, à l’intérieur de l’espace ergosphérique se déplace plus vite que la lumière! La matière ne peut pas bouger aussi vite, mais il s’avère, selon Einstein, que l’espace lui-même le peut. Donc, si vous voulez survoler un trou noir, vous devez vous déplacer plus vite que la lumière dans la direction opposée à la rotation. Vous ne pouvez pas faire cela, vous devez donc vous déplacer avec la rotation, vous envoler ou tomber. Ce sont vos choix.
Je suggère de m’envoler. Rapide. Parce queApproaching
S’approcher d’un trou noir peut vous tuer de manière amusante. Et par amusement, je veux dire horrible, horrible, et vraiment vraiment ookie.
Bien sûr, si vous vous approchez trop, plop! Vous tombez dedans. Mais même si vous gardez vos distances, vous êtes toujours en difficulté
La gravité dépend de la distance. Plus vous êtes éloigné d’un objet, plus sa gravité est faible. Donc, si vous avez un objet long près d’un objet massif, l’objet long ressentira une force gravitationnelle plus forte à l’extrémité proche par rapport à une force plus faible à l’extrémité éloignée! Ce changement de gravité sur la distance s’appelle la force de marée (ce qui est un peu impropre, ce n’est pas vraiment une force, c’est une force différentielle, et oui, c’est lié à la raison pour laquelle nous avons des marées océaniques sur Terre depuis la Lune).
Le fait est que les trous noirs peuvent être petits — un BH avec une masse d’environ trois fois le Soleil a un horizon d’événements à quelques kilomètres de distance — et cela signifie que vous pouvez vous en approcher. Et cela signifie à son tour que la force de marée que vous ressentez peut devenir extrêmement importante.
Disons que vous tombez les pieds en premier dans une masse stellaire BH. Il s’avère qu’à mesure que vous vous approchez, la différence de gravité entre votre tête et vos pieds peut devenir énorme. ÉNORME. La force peut être si forte que vos pieds sont arrachés de votre tête avec des centaines de millions de fois la force de la gravité terrestre. Vous seriez étiré en un long brin fin, puis déchiqueté.
Les astronomes appellent cela spaghettification. Ewwww.
Il est donc dangereux de s’approcher d’un trou noir même si vous ne tombez pas dedans. De toute évidence, il y a vraiment une marée dans les affaires des hommes.
Les trous noirs ne sont pas toujours sombres.
Le fait est que les trous noirs peuvent tuer de loin.
La matière tombant dans un trou noir tomberait rarement, voire jamais, directement et disparaîtrait. S’il a un peu de mouvement latéral, il fera le tour du trou noir. Au fur et à mesure que plus de matière tombe, toute cette ordure peut s’accumuler autour du trou. En raison de la façon dont les objets en rotation se comportent, cette matière va créer un disque de matière tourbillonnant follement autour du trou, et parce que la gravité du trou change si rapidement avec la distance, la matière qui s’approche orbitera beaucoup plus vite que les choses plus éloignées. Cette matière se frotte littéralement, générant de la chaleur par friction. Ce truc peut devenir très chaud, comme des millions de degrés chauds. Matière qui brille à chaud avec une luminosité intense which ce qui signifie que près du trou noir, cette matière peut être sérieusement lumineuse.
Pire, les forces magnétiques et autres peuvent focaliser deux faisceaux d’énergie qui sortent des pôles du disque. Les faisceaux commencent juste à l’extérieur du trou noir, mais peuvent être vus à des millions, voire des milliards d’années-lumière.
Ils sont brillants.
En fait, les trous noirs qui mangent de la matière de cette manière peuvent briller si brillamment qu’ils deviennent les objets les plus brillants émettant en continu de l’Univers! Nous appelons ces trous noirs actifs.
Et comme si les trous noirs ne sont pas assez dangereux, la matière devient si chaude juste avant de faire le plongeon final qu’elle peut furieusement émettre des rayons X, des formes de lumière à haute énergie (et les faisceaux peuvent émettre une lumière d’énergie encore plus élevée que cela). Ainsi, même si vous garez votre vaisseau spatial bien en dehors de l’horizon des événements d’un trou noir, si quelque chose d’autre tombe et est déchiqueté, vous êtes récompensé en étant frit par l’équivalent d’un gazillion d’examens dentaires.
J’ai peut-être mentionné ceci: les trous noirs sont dangereux. Mieux vaut rester loin d’eux.
Les trous noirs ne sont pas toujours dangereux.
Cela dit, permettez-moi de vous poser une question: si je prenais le Soleil et le remplaçais par des cristaux de Folgers un trou noir de la même masse exacte, que se passerait-il? La Terre tomberait-elle, serait-elle jetée ou orbiterait-elle comme elle le fait toujours?
La plupart des gens pensent que la Terre tomberait, aspirée inexorablement par la puissante gravité du trou noir. Mais rappelez-vous, la gravité que vous ressentez d’un objet dépend de la masse de l’objet et de votre distance par rapport à celui-ci. J’ai dit que le trou noir avait la même masse que le Soleil, tu te souviens ? Et la distance de la Terre n’a pas changé. Donc la gravité que nous ressentirions d’ici, à 150 millions de kilomètres, serait exactement la même! Ainsi, la Terre orbiterait le trou noir solaire aussi bien qu’elle orbite autour du Soleil maintenant.
Bien sûr, nous gèlerions à mort. Tu ne peux pas tout avoir.
Les trous noirs peuvent devenir gros.
Q: Que se passe-t-il si deux trous noirs de masse stellaire entrent en collision ?
R: Vous obtenez un trou noir plus grand.
Vous pouvez extrapoler à partir de là. Les trous noirs peuvent manger d’autres objets, y compris d’autres trous noirs, afin qu’ils puissent se développer. Nous pensons qu’au début de l’Univers, alors que les galaxies venaient de se former, la matière qui s’accumule au centre de la galaxie naissante peut s’effondrer pour former un trou noir très massif. Au fur et à mesure que plus de matière tombe, le trou la consomme avidement et grandit. Finalement, vous obtenez un trou noir supermassif, avec des millions, voire des milliards de fois la masse du Soleil.
Cependant, rappelez-vous que lorsque la matière tombe, elle peut devenir chaude. Il peut être si chaud que la pression de la lumière elle-même peut souffler un matériau plus éloigné, un peu comme le vent solaire, mais à une échelle beaucoup plus grande. La force du vent dépend de beaucoup de choses, y compris la masse du trou noir; plus le trou est épais, plus le vent est venteux. Ce vent empêche plus de matière de tomber, il agit donc comme une vanne de coupure pour le trou de plus en plus girthy.
Non seulement cela, mais avec le temps, le gaz et la poussière autour du trou noir (enfin, assez loin, mais toujours près du centre de la galaxie) se transforment en étoiles. Le gaz peut tomber dans un trou noir plus facilement que les étoiles (si les nuages de gaz entrent en collision frontale, leur mouvement par rapport au trou noir peut s’arrêter, ce qui leur permet de tomber; les étoiles sont trop petites et trop éloignées pour que cela se produise). Ainsi, finalement, le trou noir cesse de consommer de la matière parce que rien de plus n’y tombe. Il cesse de croître, la galaxie devient stable et tout le monde est heureux.
En fait, lorsque nous examinons l’Univers d’aujourd’hui, nous voyons qu’à peu près toutes les grandes galaxies ont un trou noir supermassif en son cœur. Même la Voie Lactée a un trou noir en son cœur avec une masse de quatre millions de fois celle du Soleil. Avant de commencer à tourner en rond et à crier, rappelez-vous ceci: 1) c’est loin, 26 000 années-lumière (260 quadrillions de kilomètres), 2) sa masse est encore très faible par rapport aux 200 milliards de masses solaires de notre galaxie, et donc 3) elle ne peut pas vraiment nous nuire. À moins qu’il ne commence à se nourrir activement. Ce qui n’est pas le cas, Mais ça pourrait commencer un jour, si quelque chose y tombe. Bien que nous ne sachions rien qui puisse y tomber bientôt. Mais on pourrait manquer de gaz froid.
Hmmm.
De toute façon, souvenez-vous aussi de cela: même si les trous noirs peuvent causer la mort et la destruction à grande échelle, ils aident également les galaxies elles-mêmes à se former! Nous leur devons donc notre existence.
Les trous noirs peuvent être de faible densité.
De toutes les bizarreries sur les trous noirs, celle-ci est la plus étrange pour moi.
Comme vous pouvez vous y attendre, l’horizon des événements d’un trou noir s’agrandit à mesure que la masse s’agrandit. En effet, si vous ajoutez de la masse, la gravité devient plus forte, ce qui signifie que l’horizon des événements augmentera.
Si vous faites le calcul avec soin, vous constatez que l’horizon des événements croît linéairement avec la masse. En d’autres termes, si vous doublez la masse du trou noir, le rayon de l’horizon des événements double également.
C’est bizarre! Pourquoi?
Le volume d’une sphère dépend du cube du rayon (pensez au lycée: volume = 4/3 x π x radius3). Doublez le rayon et le volume augmente de 2 x 2 x 2 = 8 fois. Faites le rayon d’une sphère 10 fois plus grand et le volume augmente d’un facteur 10 x 10 x 10 = 1000.
Le volume augmente donc très rapidement lorsque vous augmentez la taille d’une sphère.
Imaginez maintenant que vous avez deux sphères d’argile de la même taille. Regroupez-les ensemble. La sphère résultante est-elle deux fois plus grande?
Non! Vous avez doublé la masse, mais le rayon n’augmente qu’un peu. Parce que le volume va comme rayon en cubes, pour doubler le rayon de votre boule d’argile finale, vous devez en regrouper huit.
Mais c’est différent d’un trou noir. Doublez la masse, doublez la taille de l’horizon des événements. Cela a une implication étrangeDensity
La densité est la quantité de masse emballée dans un volume donné. Gardez la même taille et ajoutez de la masse, et la densité augmente. Augmentez le volume, mais gardez la même masse et la densité diminue. Compris ?
Regardons maintenant la densité moyenne de la matière à l’intérieur de l’horizon des événements du trou noir. Si je prends deux trous noirs identiques et que je les heurte, la taille de l’horizon des événements double, et la masse double aussi. Mais le volume a été multiplié par huit! Donc, la densité diminue réellement, et est de 1/4 de ce avec quoi j’ai commencé (deux fois la masse et huit fois le volume vous donne 1/4 de la densité). Continuez à le faire, et la densité diminue.
Un trou noir régulier — c’est—à-dire un trou ayant trois fois la masse du Soleil – avec un rayon d’horizon des événements d’environ 9 km. Cela signifie qu’il a une densité énorme, environ deux quadrillions de grammes par cm cube (2 x 1015). Mais doublez la masse et la densité diminue d’un facteur quatre. Mettez 10 fois la masse et la densité diminue d’un facteur 100. Un milliard de trous noirs de masse solaire (gros, mais nous les voyons aussi gros dans les centres de galaxies) diminuerait cette densité d’un facteur 1 x 1018. Cela lui donnerait une densité d’environ 1/1000 de gramme par cc… et c’est la densité de l’air!
Un milliard de trous noirs de masse solaire aurait un horizon des événements de 3 milliards de km de rayon — à peu près la distance de Neptune au Soleil.
Tu vois où je vais ici ? Si vous deviez élaguer le système solaire au-delà de Neptune, l’enfermer dans une sphère géante et le remplir d’air, ce serait un trou noir!
Pour moi, c’est de loin la chose la plus étrange à propos des trous noirs. Bien sûr, ils déforment l’espace, déforment le temps, jouent avec notre sens de ce qui est réel et de ce qui ne l’est pas but mais quand ils touchent au quotidien et baisent avec ça, eh bien, c’est ce qui m’attire.
J’y ai pensé pour la première fois lors d’une conférence sur les trous noirs à Stanford il y a quelques années. Je marchais avec Roger Blandford, expert reconnu des trous noirs, quand il m’a frappé. J’ai fait un calcul mental rapide pour m’assurer que j’avais les bons chiffres, et lié à Roger qu’un système solaire plein d’air serait un trou noir. Il y a réfléchi un instant et a dit: « Oui, cela semble à peu près juste. »
Et cela, moi droogs, a été l’un des moments les plus cool de ma vie de trou. Mais y penser me fait encore mal au cerveau.
Conclusion
Eh bien, que puis-je dire? Les trous noirs sont bizarres.
Comme il se trouve, il y avait beaucoup plus à dire à leur sujet, bien sûr. Et les trous de ver ? Et comment ils se forment? et les radiations de colportage ? Les trous noirs peuvent-ils totalement s’évaporer ?
Vous pouvez trouver des réponses à ces questions et à d’autres ailleurs sur le web (et même sur ce blog même); Je ne pouvais pas tout couvrir en seulement dix sections! Mais je noterai (choquant) ce chapitre 5 de mon livre La mort du ciel! parle en détail de la façon dont ils se forment et de ce qu’ils peuvent faire si vous vous approchez trop d’eux. Les chapitres suivants parlent également du trou noir au cœur de la Voie Lactée, et de ce qui arrivera aux trous noirs dans un long moment literally littéralement, 1060, 1070, même dans des années googol.
Mais même dans ce cas, ce n’est pas la chose la plus effrayante à propos des trous noirs. Je n’ai presque pas mis cela dans le post, c’est tellement exagéré, terriblement horrible. Mais je suis un scientifique, et nous sommes sceptiques ici, donc nous pouvons le prendre. Je vous présente donc la pire chose à propos des trous noirs :