Astronomie

Âge d'un trou noir

Âge d'un trou noir


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Existe-t-il un moyen de déterminer l'âge d'un trou noir. Supposons 100 milliards d'années, si deux trous noirs ont exactement la même masse (disons 30 M☉). L'un d'eux s'est formé dans 10 milliards d'années et l'autre dans 20 milliards d'années. A t = t0 + 100 milliards d'années, en regardant dans le passé, peut-on prédire l'âge de ces trous noirs ? Le taux de dissipation des radiations de Hawking est-il différent pour eux ?


Rien qu'en regardant le trou noir, il n'y a aucune possibilité de déterminer son âge. L'état du trou noir est entièrement déterminé par quelques variables fondamentales (masse, moment angulaire et charge électrique). C'est l'énoncé du fameux dicton Un trou noir n'a pas de cheveux. Le rayonnement de Hawking en particulier ne dépend que de ces variables.

Vous pourrez peut-être déterminer l'âge d'un trou noir par des moyens indirects (par exemple, en regardant son environnement et en voyant à quel point il est nettoyé de la matière).


Non, vous ne pouvez rien dire sur leur âge et oui, leur rayonnement Hawking est différent… pas que vous puissiez détecter la différence. Plus en détail:

Si vos deux trous noirs commençaient avec une masse identique, mais à des moments différents, le trou le plus jeune aurait perdu moins de masse que l'autre à cause du rayonnement de Hawking, avec une différence d'âge de seulement 10 milliards d'années, la différence de masse serait non mesurable (avec la technologie actuelle) .

Si à un moment donné dans un avenir lointain deux BH de masses différentes sont rencontrés, on ne peut en général pas dire s'ils sont nés en même temps avec des masses différentes, ou à des moments différents avec la même masse.

L'intensité du rayonnement de Hawking dépend de la température du trou noir et à mesure qu'un BH s'évapore, il se réchauffe efficacement, et à mesure qu'il se réchauffe, il émet de plus en plus de rayonnement de Hawking conduisant à une rafale finale avant tout ce qui se passe à la fin.

Il est donc également vrai que le trou noir plus ancien, ayant perdu plus de masse, sera à une température légèrement (mais non mesurable) plus élevée.

Cependant, jusqu'à présent, j'ai négligé la température du fond diffus cosmologique. C'est actuellement environ 2,7 Kelvin et jusqu'à ce que l'expansion de l'univers l'ait abaissé en dessous de celui d'un trou noir, le trou noir absorbera en fait plus d'énergie du CMB qu'il n'en émet par le rayonnement de Hawking et aura en fait augmenté (de façon incommensurable) en Masse.

C'est pourquoi il faudra de l'ordre de 10^100 ans pour que tous les trous noirs s'évaporent, par rapport auquel même votre intervalle nominal de 100 milliards d'années est une goutte dans l'océan (cosmique).


En décembre dernier, une équipe d'astronomes a découvert le trou noir le plus éloigné de l'univers, ULAS J1342+0928. Le trou noir est un mastodonte avide d'étoiles qui pèse environ 800 millions de fois la masse du soleil, situé au centre d'une galaxie poussiéreuse à environ 13,1 milliards d'années-lumière de la Terre.

Regarder le cosmos lointain équivaut à regarder dans le temps, donc cette découverte de trou noir marque également le le plus vieux trou noir connu, noté Sky & Telescope, remontant à seulement 690 millions d'années après le Big Bang. La découverte du trou noir promet de nous donner de nouvelles réponses sur le jeune âge de l'univers. Cependant, comme c'est souvent le cas en science, les réponses se présentent sous la forme de nouvelles questions.


Le livre Les cinq âges de l'univers discute de l'histoire, de l'état actuel et de l'avenir probable de l'univers, selon la compréhension actuelle des cosmologistes. Le livre divise la chronologie de l'univers en cinq ères : l'ère primordiale, l'ère stellifère, l'ère dégénérée, l'ère du trou noir et l'ère sombre.

En plus d'expliquer la théorie cosmologique actuelle, les auteurs spéculent sur les types de vie qui pourraient exister dans les ères futures de l'univers. La spéculation est basée sur une hypothèse d'échelle, attribuée à Freeman Dyson, l'idée étant que toutes les autres choses étant égales, le taux de métabolisme - et donc le taux de conscience - d'un organisme devrait être directement proportionnel à la température à laquelle cet organisme prospère. Les auteurs envisagent des formes de vie complètement différentes de celles biochimiques de la Terre, par exemple, basées sur des trous noirs en réseau.

Les échelles de temps traitées dans le livre sont suffisamment vastes pour que les auteurs trouvent commode d'utiliser la notation scientifique. Ils font référence à la « n ème décennie cosmologique », c'est-à-dire 10 n ans après le Big Bang. Dans ce qui suit, n fait référence à la décennie cosmologique.

Ère primordiale Modifier

L'ère primordiale est définie comme "-50 < n < 5". À cette époque, on pense que le Big Bang, l'inflation qui a suivi et la nucléosynthèse du Big Bang ont eu lieu. Vers la fin de cet âge, la recombinaison des électrons avec les noyaux a rendu l'univers transparent pour la première fois. Les auteurs discutent des problèmes d'horizon et de planéité.

Ère Stellifère Modifier

L'ère stellifère est définie comme "6 < n < 14". C'est l'ère actuelle, dans laquelle la matière est arrangée sous forme d'étoiles, de galaxies et d'amas de galaxies, et la plupart de l'énergie est produite dans les étoiles. Les étoiles seront les objets les plus dominants de l'univers à cette époque. Les étoiles massives consomment leur carburant très rapidement, en aussi peu que quelques millions d'années. Finalement, les seules étoiles lumineuses restantes seront des étoiles naines blanches. À la fin de cette ère, les étoiles brillantes telles que nous les connaissons auront disparu, leur combustible nucléaire épuisé, et il ne restera que des naines blanches, des naines brunes, des étoiles à neutrons et des trous noirs. Dans cette section, le paradoxe d'Olbers est discuté.

L'ère dégénérée Modifier

L'ère dégénérée est définie comme "15 < n < 39". C'est l'ère des naines brunes, des naines blanches, des étoiles à neutrons et des trous noirs. Les naines blanches assimileront la matière noire et continueront avec une production d'énergie nominale. À mesure que cette ère se poursuit, les auteurs émettent l'hypothèse que les protons commenceront à se désintégrer (violant la conservation du nombre de baryons donnée par le modèle standard). Si la désintégration du proton a lieu, les seuls survivants seront les trous noirs. Si tel est le cas, la vie devient presque impossible à mesure que les planètes se désintègrent.

L'ère du trou noir Modifier

L'ère du trou noir est définie comme "40 < n < 100". À cette époque, selon le livre, la matière organisée ne restera que sous forme de trous noirs. Les trous noirs eux-mêmes " s'évaporent " lentement de la matière qu'ils contiennent, par le processus de mécanique quantique du rayonnement de Hawking. À la fin de cette ère, il ne restera que des photons, des électrons, des positons et des neutrinos de très basse énergie.

Ère Sombre Modifier

L'ère sombre est définie comme "n > 101". À cette époque, avec seulement de la matière très diffuse, l'activité dans l'univers aura diminué de façon spectaculaire, avec des niveaux d'énergie très bas et des échelles de temps très grandes. Les électrons et les positons dérivant dans l'espace se rencontreront et formeront occasionnellement des atomes de positronium. Ces structures sont cependant instables et leurs particules constitutives doivent éventuellement s'annihiler. D'autres événements d'annihilation de bas niveau auront également lieu, bien que très lentement. Essentiellement, l'univers finira par se transformer en un vide de néant.

Le livre a été publié en 1999. En novembre 2013 [mise à jour] , Gregory Laughlin fait la déclaration suivante sur son site Web : [4]

Un grand nombre de développements intéressants se sont produits en physique et en astronomie depuis la rédaction du livre, et bon nombre de ces avancées ont un fort impact sur notre compréhension de la façon dont l'avenir se déroulera. Fred et moi travaillons actuellement sur une mise à jour du matériel de The Five Ages.


La naissance d'un trou noir a été observée, marquant un tournant pour l'astronomie

L'impossibilité virtuelle de l'astronomie d'observation n'a jamais été aussi claire. Les astronomes ayant enregistré tant d'événements, maintenant qu'ils ont utilisé tant d'instruments différents pour tirer toutes les informations possibles du peu d'informations qui parviennent jusqu'à la Terre, le simple fait de pointer des télescopes sur les étoiles fournit des rendements décroissants. Pour continuer à avancer, nous devons utiliser les événements les plus inhabituels et, dans de nombreux cas, violents de l'univers afin que nous puissions voir des données vraiment nouvelles. Ce n'est pas seulement une question de patience, car l'industrie spatiale ne peut pas installer suffisamment de télescopes pour regarder partout à la fois. Avec autant de profondeur à travers laquelle zoomer, il semblerait une cause perdue d'essayer de capturer des événements inattendus et de courte durée.

Et pourtant, cette semaine, un événement capital s'est produit quelque part dans l'univers, désormais baptisé GRB 130427A, et une "armada d'instruments du monde entier" l'a vu produire un sursaut gamma plus puissant que ce que de nombreux chercheurs pensaient théoriquement possible. Maintenant considéré comme l'effondrement d'une étoile géante et la naissance d'un trou noir, l'événement a été décrit comme un "moment de pierre de Rosette" pour l'astronomie. Il a envoyé des informations que les astronomes étudieront pendant de nombreuses années à venir, et bien qu'il soit trop tôt pour tirer des conclusions réelles, il existe déjà un enthousiasme généralisé quant à sa nouveauté.

Et pourtant, GRB 130427A n'a duré qu'environ 80 secondes à des intensités observables avec autant d'espace vide à chaluter, comment les astronomes ont-ils réussi à remarquer l'événement, et encore moins à le documenter de manière aussi approfondie ? La réponse se trouve au Nouveau-Mexique, aux Laboratoires nationaux de Los Alamos, sous la forme de six caméras robotiques collectivement appelées RAPTOR, ou RAPid Telescopes for Optical Response. Les télescopes RAPTOR sont interconnectés et obéissent tous à un cerveau informatique central entre leur matériel informatique dédié et des supports pivotants robotiques, ils peuvent se tourner pour voir n'importe quel point du ciel en moins de trois secondes.

En tant que dispositifs de réponse optique les plus rapides au monde, les télescopes RAPTOR ont un grand devoir : s'assurer que nous ne manquons pas les grandes choses quand elles se produisent, car en astronomie, il n'y a pas de seconde chance. On pense que ce sursaut de rayons gamma est le plus brillant depuis des décennies, peut-être depuis un siècle, et si les astronomes l'avaient manqué, il est probable que personne qui travaille aujourd'hui n'aurait eu la chance d'en capturer à nouveau.

Ils atteignent leur objectif en effectuant des balayages du ciel extrêmement diffus et grand angle pour obtenir des indices sur l'endroit et le moment où se déroule un événement majeur. Lorsque l'un des télescopes voit un soupçon de quelque chose de bon, lui et les autres se réorientent rapidement et zooment pour le capturer en détail. Les télescopes ont différentes spécialisations, par exemple RAPTOR-T, qui visualise tous les événements à travers quatre lentilles alignées avec quatre filtres de couleurs différentes. En examinant les différences de distribution des couleurs dans l'échantillon, RAPTOR-T peut fournir des informations sur la distance à un événement ou sur certains éléments de son environnement.

Cependant, l'événement a également été vu par un certain nombre d'autres instruments, des détecteurs de rayons gamma et des télescopes à rayons X qui sont beaucoup plus lents que RAPTOR. Les satellites Fermi, NuSTAR et Swift de la NASA ont réussi à voir une partie de l'événement au fur et à mesure qu'il se déroulait, mais la plupart des télescopes se sont joints à eux pour voir la soi-disant rémanence de l'événement. C'était un événement incroyablement violent, et il a projeté des débris et des dégâts sur un large rayon pendant plusieurs heures, ce rayon a brillé et les astronomes ont regardé sa disparition.

L'intensité des rayons gamma de haute énergie dans cette rémanence s'est estompée en même temps que ses émissions lumineuses conventionnelles. C'est le premier lien de ce type que les astronomes ont trouvé entre les rayons gamma et les phénomènes optiques. Ce n'est qu'une des façons dont cela pourrait être la dernière observation de Rosetta Stone par l'astronomie. Attendez-vous à une multitude de mises à jour passionnantes au cours des prochains mois, alors que les astronomes analysent les implications d'avoir assisté à la naissance d'une singularité sans précédent.


Tour du trou noir


Illustration d'artiste de Cygnus X-1, le premier trou noir découvert en 1972. Nous avons récemment mesuré avec une précision de 6 % sa distance (1,86 kpc) à l'aide du VLBA et sa masse (14,8 masses solaires) à l'aide de données optiques étendues. Les données de Chandra révèlent que l'objet compact est un trou de Kerr presque extrême avec un spin a/M > 0,95. Crédit : Optique : DSS Illustration : NASA/CXC/M.Weiss

Description de la recherche

La connaissance du spin des trous noirs est essentielle pour comprendre des problèmes empiriques tels que la façon dont les sursauts gamma sont alimentés et comment les trous noirs lancent des jets et d'autres flux sortants qui injectent de l'énergie dans le milieu environnant et affectent la formation de structures à l'échelle des galaxies et même des amas de galaxies. . Au cours des dernières années, nous avons établi une méthode précise pour mesurer les spins des trous noirs de masse stellaire situés dans des systèmes binaires à rayons X. Cela nous a permis de complètement décrire une douzaine de ces trous noirs en mesurant à la fois leurs spins et leurs masses.

Dans le même temps, étant donné notre connaissance approfondie du comportement de ces trous noirs particuliers, nous nous trouvons maintenant à un point de départ passionnant. Par exemple, au cours de l'année écoulée, nous avons publié la première preuve directe d'une relation entre la puissance des jets et la rotation du trou noir. Au-delà de l'astrophysique, notre aspiration est d'utiliser des mesures sûres du spin du trou noir comme base pour faire un test expérimental convaincant du théorème de l'absence de cheveux.


Trou noir géant à l'aube cosmique

Concept d'artiste de J1342+0928, désormais le quasar le plus éloigné connu, contenant le trou noir supermassif le plus éloigné à ce jour. Illustration par Robin Dienel/Institution Carnegie.

Plusieurs institutions astronomiques annoncent aujourd'hui (6 décembre 2017) le quasar le plus lointain mais lumineux, contenant le trou noir supermassif le plus lointain et pourtant le plus lointain. Le trou noir alimente vraisemblablement le quasar, dont le décalage vers le rouge est de 7,54, ce qui correspond à une époque où l'univers n'avait que 5% de son âge actuel, à peine 690 millions d'années après le Big Bang. Eduardo Bañados de la Carnegie Institution for Science à Washington, DC a dirigé l'équipe d'astronomes qui a fait cette découverte, en utilisant les télescopes Magellan de Carnegie au Chili.

La masse de ce trou noir est environ 800 millions de fois celle de notre soleil, contrairement au trou noir de 4 millions de masse qui se trouverait au centre de notre propre galaxie de la Voie lactée. Ces résultats sont publiés aujourd'hui dans la revue à comité de lecture Nature.

Ces astronomes ont déclaré qu'entre 20 et 100 quasars aussi brillants et aussi éloignés que le quasar découvert par Bañados et son équipe devraient exister dans tout le ciel. C'est donc une découverte majeure qui, ont-ils dit :

… fournira des informations fondamentales sur le jeune univers, alors qu'il n'avait que 5% de son âge actuel.

Comme cela arrive souvent en astronomie, cette nouvelle découverte a laissé les astronomes perplexes. Ils sont étonnés de découvrir un trou noir si massif si tôt dans l'histoire cosmique, ce qui remet en question notre compréhension de la croissance précoce des trous noirs supermassifs et de leurs galaxies hôtes. Le coauteur Xiaohui Fan de l'Université de l'Arizona a déclaré :

Le nouveau quasar est lui-même l'une des premières galaxies, et pourtant il abrite déjà un trou noir géant aussi massif que les autres dans l'univers actuel !

Fan a émis l'hypothèse que le nouveau quasar est :

…probablement juste une floraison précoce. S'il est situé dans une partie plus dense que la moyenne de l'univers, il pourrait commencer plus tôt dans la vie et croître plus rapidement.

Il a dit qu'il soupçonnait que malgré sa jeunesse précoce, J1342 + 0928 s'est finalement installé à un rythme plus mesuré, devenant un trou noir supermassif plus typique au centre d'une grande galaxie elliptique.

Le nouveau trou noir supermassif J1342+0928 (étoile jaune), qui réside dans un univers essentiellement neutre au bord de l'aube cosmique, est plus éloigné que tout autre trouvé à ce jour (points jaunes). Image via Jinyi Yang, Université d'Arizona Reidar Hahn, Fermilab M. Newhouse NOAO/AURA/NSF.

Le quasar de Bañados est également intéressant, car il date de l'époque connue sous le nom d'époque de la réionisation, lorsque l'univers a émergé de ses âges sombres. La déclaration de Carnegie a expliqué:

Le Big Bang a commencé l'univers comme une soupe chaude et trouble de particules extrêmement énergétiques qui se développaient rapidement. Au fur et à mesure de son expansion, il s'est refroidi. Environ 400 000 ans plus tard (très rapidement à l'échelle cosmique), ces particules se sont refroidies et ont fusionné en gaz hydrogène neutre. L'univers est resté sombre, sans aucune source lumineuse, jusqu'à ce que la gravité condense la matière en les premières étoiles et galaxies. L'énergie libérée par ces anciennes galaxies a provoqué l'excitation et l'ionisation de l'hydrogène neutre éparpillé dans tout l'univers, ou la perte d'un électron, un état dans lequel le gaz est resté depuis lors. Une fois que l'univers est devenu réionisé, les photons pouvaient voyager librement dans l'espace, ainsi l'univers est devenu transparent à la lumière.

L'analyse du quasar nouvellement découvert montre qu'une grande partie de l'hydrogène dans son environnement immédiat est neutre, ce qui indique que les astronomes ont identifié une source à l'époque de la réionisation, avant qu'un nombre suffisant des premières étoiles et galaxies se soient allumées pour se réactiver complètement. ioniser l'univers.

Ce fut la dernière transition majeure de l'univers et l'une des frontières actuelles de l'astrophysique.

Daniel Stern du Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena a commenté :

Il s'agit d'une découverte très excitante, découverte en parcourant la nouvelle génération d'enquêtes sensibles à grande échelle que les astronomes mènent à l'aide du Wide-field Infrared Survey Explorer de la NASA en orbite et dans des télescopes au sol au Chili et à Hawaï. Avec plusieurs installations de nouvelle génération encore plus sensibles en cours de construction, nous pouvons nous attendre à de nombreuses découvertes passionnantes dans le tout premier univers dans les années à venir.

Concept d'artiste du quasar et de son trou noir dans l'espace. Pas à l'échelle! Le quasar est entouré d'hydrogène neutre, ce qui indique qu'il date de la période appelée l'époque de la réionisation, lorsque les premières sources lumineuses de l'univers se sont allumées. Illustration par Robin Dienel/Institution Carnegie.

Conclusion : J1342+0928 est maintenant le quasar le plus éloigné connu à ce jour, et il contient le trou noir supermassif le plus éloigné à ce jour. Les deux existent à une époque seulement 690 millions d'années après le Big Bang.


Tout ce que vous devez savoir sur l'histoire des trous noirs

BIOGRAPHIE DU TROU NOIR L'histoire de la façon dont les trous noirs (un illustré) ont été acceptés dans le canon scientifique est une histoire qui mérite d'être racontée.

VCHAL/ISTOCK/GETTY IMAGES PLUS

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Les trous noirs sont séduisants depuis le tout début.

Inscrits dès les années 1780 et prédits par la théorie de la relativité générale d'Einstein, ils n'ont reçu le nom que nous connaissons aujourd'hui que dans les années 1960. Bêtes étranges qui écrasent des masses de matière dans des abîmes infiniment denses, les trous noirs étaient autrefois considérés comme une simple curiosité mathématique.

Mais les astronomes ont compilé peu à peu les preuves de l'existence des trous noirs, se demandant où vivent ces mastodontes, comment ils avalent la matière et ce que leur existence signifie pour d'autres théories physiques.

Depuis plus d'une décennie, une équipe de chercheurs s'est engagée dans un effort ambitieux pour prendre une photo d'un trou noir pour la toute première fois. Et maintenant, ils l'ont fait. Quel meilleur moment pour repenser aux origines des trous noirs et au voyage jusqu'à présent ?

Des questions ou des commentaires sur cet article ? Écrivez-nous à [email protected]

Note de l'éditeur :

Cette chronologie a été mise à jour le 10 avril pour supprimer une image du mauvais John Michell.


Image astronomique du jour

Découvrez le cosmos ! Chaque jour, nous présentons une image ou une photographie différente de notre univers fascinant, ainsi qu'une brève explication écrite par un astronome professionnel.

27 novembre 1995

Trop près d'un trou noir
Crédit et droit d'auteur : Robert Nemiroff, (GMU, NASA/GSFC)

Explication: Que verriez-vous si vous alliez jusqu'à un trou noir ? Ci-dessus, deux images générées par ordinateur mettant en évidence l'apparence étrange des choses. Sur la gauche se trouve un champ d'étoiles normal contenant la constellation d'Orion. Remarquez les trois étoiles de luminosité presque égale qui composent la ceinture d'Orion. A droite se trouve le même champ d'étoiles mais cette fois avec un trou noir superposé au centre du cadre. Le trou noir a une gravité si forte que la lumière est sensiblement courbée vers lui, provoquant une distorsion visuelle très inhabituelle. Dans le cadre déformé, chaque étoile du cadre normal a au moins deux images lumineuses - une de chaque côté du trou noir. En fait, près du trou noir, vous pouvez voir tout le ciel - la lumière de toutes les directions se courbe et vous revient. Les trous noirs sont considérés comme l'état le plus dense de la matière, et il existe des preuves indirectes de leur présence dans les systèmes binaires stellaires et les centres des amas globulaires, des galaxies et des quasars.

La photo de demain : Ombre au pôle sud lunaire

Auteurs & éditeurs : Robert Nemiroff (GMU) & Jerry Bonnell (USRA).
Représentant technique de la NASA : Sherri Calvo. Des droits spécifiques s'appliquent.
Un service de : LHEA à la NASA/ GSFC


Un trou noir inattendu

Le trou noir de 85 masses solaires est un tel mystère en raison de la façon dont les scientifiques pensent que les étoiles massives meurent.

Malgré toute leur fureur nucléaire, les étoiles sont des objets en équilibre : la gravité comprime les étoiles vers l'intérieur, mais lorsque la lumière quitte le noyau, elle repousse l'étoile vers l'extérieur. Mais les étoiles massives peuvent parfois brûler si fort en leur cœur que cet équilibre peut être bouleversé. Les particules individuelles de lumière appelées photons capteront suffisamment d'énergie pour se transformer en paires d'électrons et de positons, les équivalents antimatière des électrons. Ce changement réduit temporairement la pression à l'intérieur du noyau solaire, ce qui provoque alors la compression et le réchauffement de l'étoile.

La théorie actuelle prédit que lorsqu'une telle étoile est environ 60 à 130 fois plus massive que notre soleil, la compression et le chauffage conduisent à une explosion galopante appelée supernova à instabilité de paire. Un tel événement détruit l'étoile si complètement que les débris éjectés ne peuvent pas s'effondrer dans un trou noir.

Bizarrement, le plus grand trou noir de la paire qui a créé GW190521 est « à un niveau très élevé dans la plage à laquelle vous vous attendez à une instabilité de la paire », dit Berry. En substance, il n'est pas censé être possible pour une étoile de créer un tel trou noir.

"Si vous avez trouvé un trou noir qui avait entre 52 et 133 masses solaires, il n'aurait pas pu être synthétisé comme un seul cadavre d'étoile à un coup", explique l'astrophysicien théoricien de l'Université de Yale Priyamvada Natarajan, un expert des trous noirs qui était pas impliqué dans l'étude. "La nature nous dit qu'il existe de nombreuses façons d'atteindre ces masses de trous noirs."


Naissance d'un trou noir

Comprendre comment un trou noir se forme, ce qui entraîne une gravité extrême et qu'une fois que quelque chose est tombé dans le trou noir, il ne peut plus s'échapper.

  • Les élèves expliqueront comment une zone de forte gravité est créée lorsqu'une étoile massive s'effondre, entraînant un trou noir.
  • Au fur et à mesure que les élèves organisent les différents trous noirs dans le bon ordre de formation et d'évolution des trous noirs, ils reconnaîtront que les trous noirs ont une masse énorme et sont classés en fonction de la masse qu'ils contiennent.
  • Les élèves pratiqueront la pensée logique en déduisant l'ordre des événements en fonction des informations fournies.
  • Les élèves s'exerceront à donner des arguments pour expliquer leur idée ou leur travail.
  • Au cours de la troisième partie de l'activité, demandez aux élèves d'expliquer comment les trous noirs créés lors de l'effondrement des étoiles ont une gravité si extrême. Les élèves doivent associer leurs réponses à l'observation que la petite bille dense qui représente un trou noir courbe davantage la feuille extensible (c'est-à-dire représente une gravité plus forte dans la zone locale), par rapport à la boule de papier d'aluminium de poids similaire à la bille mais moins dense .
  • Au cours de la discussion de la partie 4, écoutez les explications des élèves. Vérifiez si les élèves utilisent les masses de différents types de trous noirs comme élément d'information pour les aider à organiser les trous noirs dans le bon ordre dans lequel ils se forment et évoluent.
  • Dans la partie 4 de l'activité, évaluez la logique et la justesse de la discussion et de l'explication des élèves sur la façon dont ils déduire l'ordre des événements dans la formation et l'évolution des trous noirs. Vérifiez s'ils ont fondé leur réflexion sur les informations qui leur ont été fournies (à l'étape 5 de la partie 4).
  • Cuvette de lavage ronde (diamètre minimum 30cm)
  • Drap extensible (coupé dans un drap-housse extensible)
  • Bande élastique (pour fixer le drap sur le lavabo)
  • 2 sortes de billes : lourdes et légères.
  • Feuilles d'aluminium
  • des ballons
  • Balances
  • Présentation PowerPoint (documents supplémentaires ci-joints)
  • Ordinateur et projecteur pour montrer la présentation
  • Feuille de travail de l'élève (documents supplémentaires ci-joints)
  • Images imprimées (documents supplémentaires ci-joints)

La gravité est une force qui rapproche les objets, rapproche les choses. Tout ce qui a de la masse a de la gravité. Nous percevons la gravité lorsque nous sautons et sommes tirés au sol. Les planètes, les étoiles, les lunes et autres objets de l'univers ont également de la gravité. C'est pourquoi ils tournent l'un autour de l'autre, comme la Terre tourne autour du Soleil, ou la Lune tourne autour de la Terre, au lieu de s'envoler au hasard dans l'espace. C'est pourquoi nous voyons la lune et le soleil tous les jours.


Plus une chose a de masse, plus la force due à la gravité qu'elle produit est forte. La gravité de la Terre est plus forte que celle de la Lune car elle est plus massive. Ainsi, nos corps sont plus entraînés sur Terre que si nous étions sur la Lune. C'est pourquoi les astronautes peuvent sauter plus haut et plus facilement sur la Lune que sur Terre. Nos corps exercent également des forces gravitationnelles sur d'autres objets, mais parce que notre propre masse est si petite, la gravité de nos corps n'affecte en aucune manière les objets que nous pouvons facilement voir. La force de gravité change également avec la distance à un objet. L'attraction entre la Terre et la Lune est plus forte que celle entre la Terre et Jupiter, bien que Jupiter soit extrêmement plus massif que la Lune. C'est parce que la Terre est plus proche de la Lune que de Jupiter.


La gravité a d'abord été décrite par Newton comme une force. Décrite il y a plus de 300 ans, la théorie de la gravité de Newton est toujours appliquée aujourd'hui et elle a été utilisée lorsque les scientifiques ont tracé le chemin pour faire atterrir l'homme sur la lune ainsi que pour construire des ponts sur les rivières. Bien que la théorie de Newton décrive assez précisément la force de la gravité, il ne savait pas ce qui causait la gravité ni comment elle fonctionnait. Ces concepts sont restés inconnus pendant près de 250 ans, jusqu'à ce qu'Albert Einstein décrive la gravité comme une courbure de l'espace. L'espace a 3 dimensions : haut-bas, gauche-droite et avant-arrière et il peut être visualisé comme un tissu, comme un drap extensible. Tout objet ayant une masse déforme l'espace, tout comme une bille créant une fossette à la surface de la feuille extensible. Cette courbure de l'espace fait interagir les objets les uns avec les autres, souvent en se déplaçant les uns vers les autres, ce qui est considéré comme la gravité, une conséquence naturelle de l'influence d'une masse sur la courbure de l'espace. Plus quelque chose a de masse, plus l'espace est courbé et, par conséquent, plus il y a de gravité.

Vie et mort d'une star

Une étoile est constituée de plusieurs couches de gaz. Au centre de l'étoile, un noyau brûlant existe, où la fusion nucléaire se produit et relie des éléments plus légers pour former des éléments plus lourds. Ce processus génère de la chaleur exerçant une pression vers l'extérieur, contrecarrant la force de gravité qui tire le gaz vers le centre de l'étoile. Les étoiles passent la majeure partie de leur vie avec ces deux forces en équilibre, maintenant leur forme et leur taille. Vous pouvez visualiser ce processus avec une montgolfière qui a besoin de la flamme pour garder le ballon gonflé et flottant. Si la flamme s'éteint, le ballon s'effondrera et tombera du ciel, car il n'y a plus d'air chaud pour maintenir le ballon gonflé.


Toutes les étoiles commencent par fusionner l'hydrogène en hélium. Les petites étoiles froides s'arrêteront peu de temps après et ne continueront pas à fusionner avec d'autres éléments plus lourds. Les étoiles très chaudes et plus massives continuent ce processus de fusion pour créer des éléments plus massifs, brûlant non seulement de l'hydrogène et de l'hélium mais aussi du carbone, de l'oxygène et du silicium. Lorsque l'étoile atteint la fin de sa vie, la fusion nucléaire forme du fer. Le fer est un élément très stable et ne se fond pas facilement dans des éléments plus lourds. Par conséquent, il faut beaucoup plus d'énergie pour fusionner qu'il ne peut en produire. Par conséquent, le noyau de fer ne fusionne pas en d'autres éléments et l'étoile cesse de produire de l'énergie. Lorsque la production d'énergie s'arrête, la force de gravité peut enfin surmonter la poussée vers l'extérieur de l'énergie générée par la fusion. En conséquence, les lourdes couches externes de gaz de l'étoile ne sont plus soutenues et le noyau de l'étoile s'effondre, et dans l'implosion qui en résulte, fait éclater le reste de l'étoile. L'explosion d'une étoile est appelée supernova. Toutes les étoiles massives finiront ainsi en fin de vie, mais seules les plus massives d'entre elles formeront un trou noir.

Formation de trou noir

Un trou noir est une région de l'espace où l'attraction de la gravité est si forte que rien, pas même la lumière, ne peut s'en échapper. C'est pourquoi un trou noir est invisible. Les trous noirs peuvent se former de plusieurs manières. Certains trous noirs peuvent se former directement à partir de très grosses étoiles, plus de vingt-cinq à des centaines de fois plus grosses que notre Soleil, lorsque ces étoiles s'effondrent en fin de vie. Après un événement de supernova, le noyau de l'étoile massive qui reste après l'explosion est encore trop massif pour se soutenir contre la gravité. Par conséquent, il continue de s'effondrer, entraînant la compression de toute cette masse restante dans un très petit espace, formant un trou noir. Ces trous noirs ont généralement une masse de 3 à 100 fois la masse du Soleil et sont appelés trous noirs de masse stellaire. On pense qu'il y a environ 100 millions de trous noirs de masse stellaire en orbite dans notre propre galaxie.

Après leur formation, les trous noirs de masse stellaire peuvent continuer à se développer à mesure qu'ils accumulent plus de matière de leur environnement, comme d'autres étoiles, du gaz et d'autres trous noirs. Si un trou noir absorbe suffisamment de matière, il peut même devenir plus massif qu'un million de soleils. Ces trous noirs extrêmement massifs sont appelés « trous noirs supermassifs » et sont les plus gros trous noirs. Des trous noirs supermassifs existent au centre de la plupart des galaxies. Il en existe même au centre de la galaxie dans laquelle nous vivons, la Voie Lactée. On pense que dans les conditions de l'Univers primitif, il y avait beaucoup de grandes étoiles à courte durée de vie, donc de nombreux trous noirs de masse stellaire ont pu exister, qui ont ensuite progressivement accumulé de la matière et fusionné au fil du temps, créant des trous noirs plus massifs , contenant finalement assez de masse pour être un trou noir supermassif.

Les trous noirs dont la masse se situe entre les trous noirs stellaires et supermassifs sont appelés trous noirs de masse intermédiaire (IMBH). Théoriquement, ces trous noirs devraient exister, mais les scientifiques n'ont observé aucun de ces trous noirs, mais à l'heure actuelle, il n'existe qu'un seul bon candidat, appelé HLX-1. Les IMBH peuvent être 100 à 100 000 fois plus massifs que notre Soleil. Il est proposé que les IMBH puissent se former en se nourrissant d'un trou noir de masse stellaire, ou par la fusion de nombreux trous noirs de masse stellaire.


En théorie, des trous noirs moins massifs que les trous noirs de masse stellaire peuvent également exister. Ceux-ci sont appelés trous noirs primordiaux ou mini trous noirs. Ce sont les plus petits trous noirs. On pense qu'ils ont pu être créés peu après le Big Bang, où les énormes pressions et températures requises pour la formation d'un si petit trou noir étaient présentes. However, these mini black holes are yet to be observed.

Where does a black hole’s extreme gravity come from?

A black hole is much smaller in size than what would be expected from the enormous mass that it can contain. For example, primordial black holes would be the size of an atom but the mass of a large mountain. Supermassive black holes that have the diameter of our solar system but the mass more than millions Suns. When such enormous mass is compressed into a tiny space, space becomes extremely curved (like a deep well). If another object gets close enough to the concentrated mass, space becomes very curved and, therefore, gravity is extreme. In such extreme gravity, once an object falls into the well it becomes trapped. In contrast, when the same mass is larger in size, gravity isn&rsquot so extreme because the object’s mass is spread out over a larger area, curving space more gradually (like a shallow pit), and the force of gravity is less extreme. Because the enormous mass of black hole is extremely concentrated, it warps space so much that everything, once entered, cannot escape from the gravitational pull or well, not even light. Black holes do not necessarily have more mass than everything else in the Universe but the compression of its mass into a small area creates its extreme gravity.

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Figure 1: Aluminum foil balloon

    Tell the students that the inner aluminium foil and the balloon is the core of the star. The outer aluminium foil is a layer of gas. Use the background information to explain that this gas layer is maintained on the surface, holding the star’s shape, because of the burning core. This burning creates a pressure that pushes the gas outward. In this activity, the air in the balloon pushes outward, representing the pressure generated by the burning.

Explain to the students that opposing this outward push is gravity. Gravity causes the gas to be pulled inwards. Students then use their hands to gently squeeze the foil-covered balloons, imitating the effect of gravity, which pulls the gas towards the centre of the star. But the balloon does not collapse. Students try to explain why this is the case this is because of the air in the balloon pushing outward.

Figure 2: Hands compressing aluminum foil balloon

Tell the students that throughout a star’s life, the outward force generated by burning within the star balances the inward force of gravity. Therefore, the star does not collapse due to gravity when burning is occurring. Ask students to record the initial mass of this aluminum covered balloon.

Figure 3: Aluminium foil balloon - Initial weight

Explain that at the end of the star’s life, it runs out of fuel to burn in its core and burning stops. This is like popping the balloon (use a sharp pin). At this step, retain the foil in its original shape around the balloon.

Students then measure the mass of the crumpled aluminum foil (which now represents a black hole) and compare that result with the initial mass (the star) that they recorded. They should realise that the black hole still contains a lot of mass of the star, but has lost some during the process.

Figure 4:Aluminium foil balloon – weight after collapse

Students discuss which one is more dense, the initial star or the black hole. The black hole is smaller but it still contains a lot of the mass of the initial star, so it is more dense because the mass is concentrated in a smaller volume.

Part 2: Gravity (7 min)

  1. Use the background information to explain the concept of gravity as an attractive force and that this attraction can be explained as a result of space being bent by the mass of an object.
  2. Place a stretchy sheet on a large round bowl. Introduce the surface of the sheet as a small portion of space and point out that this is only space in 2 dimensions because space surrounds us everywhere in all directions.
  3. Students then place a heavy marble on the sheet and observe there is a curvature due to the marble. Then they roll a lighter marble on the sheet so that the light marble moves toward the heavier one and circles around it. An object bends space like the marble does to the stretchy sheet, causing objects to move towards each other. This effect is called gravity, which is the curvature of space.

In space, the stars and planets do not generally collide as seen with the marbles in the activity. This is due to friction of the marbles with the fabric, but there is no such fabric in space. Gravity holds planets and stars in orbit to each other.


Figure 5: Gravity – stretchy sheet and marbles

Part 3: How does black hole create enormous gravity? (7 min)

  1. As the students have understood gravity as space curvature, they now investigate how gravity in black holes is so extreme. Ask the students to recap how a black hole is created from the initial star. Answer: it is the concentration of mass into tiny space. Show the students the heavy marble as the black hole and a large ball of the same mass as the marble to represent the initial star (like in activity 1). Have the students confirm the two have similar weights.
    If a larger ball is not available, prepare in advance an aluminum foil ball with some weights (e.g. marbles) inside to have the same weight to the black hole marble.
  2. Students place the initial star (large ball) on the stretchy sheet and compare its curvature with the curvature created when replacing it with the black hole marble. The curvature created by the large ball is less steep than that created by the black hole marble.

Figure 6: Comparing curvature created objects different in density

Part 4: Which stars can become a black hole? The evolution of a black hole (10 min)

  1. Use the accompanying slideshow (if possible) to show students the size of the Earth compared to the Sun and that only stars that are massive enough, at least twenty five times more massive than the Sun, can become a black hole when they collapse.
  2. Use the accompanying slideshow (or printed image) and show students that there is a supermassive black hole at the centre of our Milky Way galaxy. Tell students that this black hole has a mass of more than a million suns.

The students should work in groups to solve a puzzle of events to reorder the formation of black holes and evolution to supermassive black holes. Present to the students this blank flow chart. Print out a set of 8 accompanied images for each group for this activity.


Figure 7: Blank flow chart - Black hole formation and evolution events

Have the students discuss in their groups to arrange the flowchart in the correct order. Once finished, have all student groups present their arrangement on the board and explain their flowchart. If there’s a difference between the groups, all groups should discuss together and give arguments to explain their work.

As the star is blown apart when it collapses, it loses some mass and the leftover mass is compressed to become a black hole.


Figure 8: Completed flow chart - Black hole formation and evolution events

Go through the flow chart with the students. Using the background information to explain further about the types of black holes.

The use of stretchy sheet and marbles are based on previous Astroedu activity ‘Model of a black hole’. Activities about gravity and collapse of star to a black hole are inspired by Inside Einstein’s Universe website.
For students to know more how a black hole can be detected, see Activity “Hunting for black holes” (15-18 year-old level).
For students to know what happen when a black hole eats material from its surrounding, see Activity “Feeding black holes and what happen to the Universe?” (15-18 year-old level).
For students to understand how black hole gets extreme gravity and captures anything that come too close, see Activity “What is a black hole?” (15-18 year-old level).

In this activity, students use a balloon and aluminum foil to understand how a massive star can collapse into a black hole and how the created black hole has extreme gravity, such that everything that falls into it cannot escape, even light. Students also learn how different types of black holes are created, but all contain enormous mass and have the capacity to consume even more.


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