La lumière ne ralentit pas - la direction « dehors » disparaît
L’image familière est la suivante : pour quitter la Terre, il faut une vitesse d’environ 11 kilomètres par seconde, et plus un corps est massif, plus il en faut. On dirait que le seuil d’un trou noir est simplement au-dessus de la vitesse de la lumière - et rien ne va plus vite que la lumière. La réponse est juste, mais pas la raison : la lumière n’accélère pas et ne perd pas une course.
La vitesse de la lumière est toujours la même. Ce qui change, c’est l’espace-temps lui-même : la masse le courbe, et un rayon suit la plus droite des trajectoires possibles - un peu comme un avion vole « droit », mais dessine un arc sur une carte. Près du Soleil, cette courbure est minuscule, mais elle a été mesurée de nombreuses fois.
Près d’un trou noir, la courbure atteint sa limite. Juste au-dessus de l’horizon, un rayon dirigé tout droit vers le haut s’échappe encore, tandis qu’un rayon envoyé de biais monte, se courbe et retombe. Plus on approche de l’horizon, plus ce cône de sortie se resserre ; à l’horizon même, il se referme. En dessous, aucune direction ne mène vers l’extérieur.
Ne monte plus
Hauteur jusqu’à laquelle le rayon monte à l’horizon des événements
Alors, qu’est-ce qui brille sur les images de trous noirs ?
En 2019, on a montré la première image des environs d’un trou noir supermassif, dans la galaxie M87. Ce n’est pas lui qui brille, mais le gaz incandescent autour de lui ; une partie de l’anneau lumineux est formée de rayons qui ont contourné le trou en arc avant de nous parvenir. La tache sombre au centre est nettement plus grande que l’horizon lui-même : les rayons passés à proximité se courbent eux aussi vers l’intérieur.
Il existe aussi une zone de transition. La lumière émise presque à la limite nous parvient encore, mais étirée : sa longueur d’onde augmente, les photons arrivent de moins en moins souvent. Vue de l’extérieur, une lampe torche lâchée à l’intérieur ne s’éteindrait pas d’un coup - elle rougirait et pâlirait jusqu’à disparaître complètement.
Là où l’image habituelle du trou noir se casse
Le mot « aspire » est souvent trompeur. De loin, un trou noir attire exactement comme n’importe quel corps de même masse : si le Soleil devenait soudain un trou noir, les orbites des planètes ne bougeraient pas - il ferait simplement sombre et froid. Tout devient particulier seulement tout près de l’horizon.
- Vérifie le mot « vitesse » : à l’horizon, la lumière va aussi vite qu’ici.
- Vérifie le mot « paroi » : l’horizon est une limite, pas une surface, il n’y a rien à toucher.
- Vérifie le mot « brille » : sur les images, c’est le gaz autour qui brille, rien ne vient de derrière l’horizon.
- Vérifie le mot « aspire » : de loin, le trou attire comme une étoile de même masse.
Pourquoi la lumière ne peut-elle pas sortir de l’horizon des événements ?
Qu’est-ce qui apparaît comme un anneau lumineux sur les images d’un trou noir ?
Sources
- Le mécanisme est décrit par la relativité générale : la solution de Schwarzschild (1916) et la notion d’horizon des événements. La première image des environs d’un trou noir dans la galaxie M87 est due à la collaboration Event Horizon Telescope, en 2019
La suite de la série « Trous noirs »
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