Rayon de Schwarzschild
En physique et en astronomie, le rayon de Schwarzschild est le rayon de l'horizon d'un trou noir de Schwarzschild, lequel est un trou noir dont la charge électrique et le moment cinétique sont nuls. Cela signifie qu'en dessous de ce rayon tous les photons (circulant à la vitesse de la lumière) ont (en oubliant qu'on est dans un cadre relativiste) des trajectoires elliptiques et ne peuvent s'échapper[N 1].
Par extension, c'est une longueur intervenant dans la description relativiste du champ gravitationnel créé par une distribution de masse à symétrie sphérique.
Il peut être défini, en première approximation, comme le rayon d'une sphère à partir duquel la masse de l'objet est tellement compacte que la vitesse de libération est égale à la vitesse de la lumière dans le vide, de sorte que la lumière elle-même ne peut s'en échapper.
Il entre dans la définition du trou noir, modélisé par Karl Schwarzschild. En effet, si le rayon de la distribution de masse de l'objet considéré est inférieur au rayon de Schwarzschild, l'objet considéré est un trou noir dont l'horizon est la sphère de rayon égal au rayon de Schwarzschild.
Mise en évidence
[modifier | modifier le code]L'éponyme
Le rayon de Schwarzschild est une des deux singularités non-triviales de la métrique
Désignation
[modifier | modifier le code]Le rayon de Schwarzschild est appelé rayon parce qu'il est associé à la coordonnée radiale r du système de coordonnées de Schwarzschild[15] et qu'il a la dimension d'une longueur
Le rayon de Schwarzschild est aussi connu comme le rayon gravitationnel[17] mais cette même expression sert également à désigner la moitié du rayon de Schwarzschild
Il est aussi appelé la singularité de Schwarzschild
Notation
[modifier | modifier le code]Le rayon de Schwarzschild est couramment noté
Expression
[modifier | modifier le code]En unités usuelles, il est défini par
- ,
où :
- est le rayon de Schwarzschild, en mètre ;
- est la constante gravitationnelle, en mètre cube par kilogramme par seconde au carré ;
- est la masse de l'objet, en kilogramme ;
- est la vitesse de la lumière dans le vide, en mètre par seconde.
En unités géométriques, il est donné par
- ,
avec
- .
Le rayon de Schwarzschild est ainsi proportionnel à la masse de l'objetet_al.''_2009153
La constante gravitationnelle et la vitesse de la lumière dans le vide sont deux constantes physiques :
- 6,674 30(15) × 10−11 m3 kg−1 s−2 (valeur standard actuelle selon CODATA 2018) ;
- 2,997 924 58 × 108 m/s.
Par suite :
- 1,485 23(3) × 10−27 m/kg
Et :
- 1,485 23(3) × 10−27 m
Soit donc
- avec
Masse volumique moyenne de l'astre contenu dans le volume de Schwarzschild
[modifier | modifier le code]La masse volumique moyenne de l'astre de masse contenu dans la sphère de rayon
- avec
On peut voir ainsi que :
- plus le trou noir est massif, plus sa masse volumique moyenne est faible
- a contrario, plus la masse du trou noir est faible, plus sa densité est élevée
Ainsi :
- la masse d'un trou noir d'une densité de 1 000 kg/m3 (celle de l'eau), est égale à 2,699 387 × 1038 kg, soit environ 135 millions de fois la masse du Soleil
- la masse d'un trou noir de masse volumique voisine de celle des noyaux des atomes, soit 2,3 × 1017 kg/m3,est de 3,168 1 × 1031 kg, soit environ 16 fois la masse du Soleil
Pesanteur au niveau de l'horizon du trou noir
[modifier | modifier le code]- m/s2 ; avec [Quoi ?]
Plus la masse du trou noir est élevée, d'autant moindre est la pesanteur au niveau de l'horizon du trou noir.
- dans le cas du trou noir de densité moyenne = 1 et de masse 2,663 87 × 1038 kg, l'accélération vaut (3,025 65 × 1043)/(2,663 87 × 1038) = 1,135 8 × 105 m/s2 ; soit près de 11 600 fois la pesanteur terrestre
- dans le cas du trou noir de masse volumique moyenne égale à celle du noyau des atomes, de masse 3,168 1 × 1031 kg, l'accélération vaut (3,025 65 × 1043)/(3,168 1 × 1031) = 9,550 4 × 1011 m/s2, soit près de 1011 fois la pesanteur terrestre.
Ces valeurs considérables attestent que la matière contenue dans les trous noirs ci-dessus est soumise à des pressions gigantesques[Quoi ?].
Dimension
[modifier | modifier le code]En analyse dimensionnelle, le rayon de Schwarzschild a la dimension d'une longueur
- .
Valeur approchée
[modifier | modifier le code]La valeur approchée du rayon de Schwarzschild est obtenue par :
où :
- est la masse de l'objet ;
- est la masse du Soleil ;
- est l’unité astronomique.
Donc, approximativement, une masse solaire correspond à 3 km de rayon et un milliard de masses solaires correspond à 20 UA de rayon (soit à peu près l’orbite d’Uranus).
Explication
[modifier | modifier le code]À la fin du XVIIIe siècle, dans le cadre de la théorie corpusculaire de la lumière
Pour un objet placé dans un champ de gravité d'un corps, la vitesse de libération, notée et exprimée en m/s, est obtenue par :
- ,
où :
- est la constante gravitationnelle ;
- est la masse du corps, exprimée en kilogrammes (kg) ;
- est la distance de l'objet au centre du corps, exprimée en mètres (m).
Cette valeur s'obtient en deux temps :
1) On dit que, pour un satellite, il y a équilibre entre la force centrifuge et l'attraction de l'astre central de masse M : on obtient une « vitesse de satellisation » qui est indépendante de la masse du satellite. et dépend de (voir les lois de Kepler).
2) Pour définir la vitesse de libération , on recherche l'énergie cinétique requise pour s'échapper de l'attraction de l'astre central. Pour ce faire, on intègre, entre et l'infini, la valeur de cette énergie cinétique à la distance . On obtient . Ici non plus, la masse du satellite n'intervient pas et où est la vitesse de satellisation à la distance .
Considérons maintenant un objet (satellite) placé à la surface de cette sphère centrale de rayon , alors :
- .
Recherchons la valeur de pour .
Il est le rayon critique prévu par la géométrie de Schwarzschild : si une étoile ou tout autre objet atteint un rayon égal ou inférieur à son rayon de Schwarzschild (qui dépend de sa masse), alors elle devient un trou noir, et tout objet s'approchant à une distance de celui-ci inférieure au rayon de Schwarzschild ne pourra s'en échapper.
Notions connexes
[modifier | modifier le code]Paramètre gravitationnel standard
[modifier | modifier le code]Le rayon de Schwarzschild est lié au paramètre gravitationnel standard, noté et égal au produit de la constante gravitationnelle par la masse de l'objet, soit : .
En effet, .
Masse de Planck
[modifier | modifier le code]La masse de Planck, notée , est, par définition, la masse pour laquelle le rayon de Schwarzschild et la longueur d'onde de Compton, notée , sont égaux à la longueur de Planck, notée .
Masse linéique de Planck
[modifier | modifier le code]La masse linéique de Planck normalisée est celle d'un trou noir de Schwarzschild de diamètre quelconque.
Ce même facteur intervient dans de nombreuses autres quantités en relativité générale. Par exemple, le rayon minimal d'une orbite circulaire stable autour d'un objet est : si un objet orbite à moins de trois rayons de Schwarzschild d'un autre, il entrera en collision avec la surface (ou sera avalé dans le cas d'un trou noir).
Définition et calcul
[modifier | modifier le code]Le terme rayon de Schwarzschild est utilisé en physique et en astronomie pour donner un ordre de grandeur de la taille caractéristique à laquelle des effets de relativité générale deviennent nécessaires pour la description d'objets d'une masse donnée.
Les seuls objets qui ne sont pas des trous noirs et dont la taille est du même ordre que leur rayon de Schwarzschild sont les étoiles à neutrons (ou pulsars), ainsi que, curieusement, l'Univers observable en son entier.
Les distorsions de l'espace-temps au voisinage d'un trou noir rendent le concept de distance un peu subtil. Le terme de rayon de Schwarzschild se réfère en fait au rayon que l'on associerait à un objet d'une circonférence donnée en géométrie euclidienne : il n'est pas possible de mesurer le rayon d'un trou noir en le traversant (puisque rien ne peut s'en échapper), il est par contre possible d'en mesurer la circonférence en faisant le tour sans y pénétrer.
Ce rayon est de ce fait appelé horizon du trou noir (on ne peut voir ce qui se passe à l'intérieur). Le rayon de Schwarzschild est proportionnel à la masse de celui-ci.
Calcul classique
[modifier | modifier le code]Un calcul de la vitesse de libération de la lumière utilisant uniquement les équations de Newton avait été fait dès 1784 par John Michell.
En mécanique newtonienne, l'énergie cinétique d'un corps en orbite autour du trou noir est donnée par :
- ,
et son énergie potentielle par :
- ,
où :
- est la constante de gravitation,
- la masse du trou noir,
- la masse du corps,
- sa vitesse,
- leur distance.
Si l'énergie potentielle est supérieure à l'énergie cinétique, le corps en orbite ne peut pas s'échapper. En égalisant ces énergies dans le cas d'un corps se déplaçant à la vitesse de la lumière, on obtient :
où est le rayon de Schwarzschild en mètres, la masse du Soleil et la vitesse de la lumière. Toute particule (y compris la lumière) se trouvant à une distance inférieure à du trou noir ne peut pas avoir suffisamment d'énergie cinétique pour se libérer de son influence. La valeur exacte de ce rayon est modifiée dans le cas où l'objet considéré possède une charge électrique non nulle ou un moment cinétique. En pratique, seul le moment cinétique joue un rôle, la charge électrique étant négligeable dans toutes les configurations où des trous noirs sont produits, mais dans tous les cas, le rayon de Schwarzschild exprimé en kilomètres est de l'ordre de trois fois la masse de l'objet considéré exprimée en masses solaires.
Calcul relativiste
[modifier | modifier le code]Le rayon de Schwarzschild est défini par la valeur au-delà de laquelle la métrique de Schwarzschild devient valide et définit un espace-temps de Schwarzschild.
Dans ce système de coordonnées sphériques, la métrique de Schwarzschild a la forme :
est le rayon de Schwarzschild associé à l'objet massif, qui est la valeur où la métrique devient invalide (intervalle d'espace-temps infini) et représente de ce fait un horizon pour cette métrique.
L'espace-temps de Schwarzschild
- ,
où est le rayon du corps de masse
Rayon de Schwarzschild des objets astronomiques
[modifier | modifier le code]Le rayon de l'horizon d'un trou noir de Kerr extrémal est égal à la moitié du rayon de Schwarzschild
Du fait de la petitesse de la quantité dans les unités usuelles, le rayon de Schwarzschild d'un objet astrophysique est très petit : pour la masse de la Terre, il est de seulement 8,9 millimètres. Puisque le rayon moyen de la Terre est d'environ 6 370 kilomètres, la Terre devrait être comprimée jusqu'à atteindre 4 × 1026 fois sa densité actuelle avant de pouvoir s'effondrer en un trou noir. La masse volumique de l'objet ainsi formé soit 2 × 1027 g/cm3 serait très supérieure à celle du noyau des atomes (valeur typique 2 × 1017 g/cm3). Il n'est pas facile de former des trous noirs de faible masse.
Un trou noir stellaire typique a un rayon qui se compte en dizaines de kilomètres. Pour un objet de la masse du Soleil, le rayon de Schwarzschild est d'environ 2,95 kilomètres, ce qui est bien inférieur aux 700 000 kilomètres du rayon actuel du Soleil. Le rayon de Schwarzschild du Soleil est également sensiblement plus petit que le rayon que le Soleil aura après avoir épuisé son carburant nucléaire, soit plusieurs milliers de kilomètres quand il sera devenu une naine blanche. Des étoiles plus massives peuvent cependant s'effondrer en trous noirs à la fin de leur vie. Dans le cas d'un trou noir supermassif, du genre de ceux que l'on trouve au centre de nombreuses galaxies, le trou noir a une masse de quelques millions à plusieurs milliards de masses solaires, pour un rayon de plusieurs millions à plusieurs milliards de kilomètres, soit moins que la taille de l'orbite de Neptune. Cette petite taille rend difficile la détection directe des trous noirs, faute d'une résolution angulaire suffisante. Il reste cependant possible d'imager directement le trou noir central de notre Galaxie par des méthodes d'interférométrie à très longue base (VLBI). D'éventuels trous noirs primordiaux, de très faible masse (quelques milliards de tonnes) pourraient éventuellement exister. De tels trous noirs seraient de taille microscopique, et ne seraient détectables que par leur rayonnement, résultant du phénomène d'évaporation des trous noirs.
Utilisations
[modifier | modifier le code]Le rayon de Schwarzschild apparaît dans l'expression de nombreux effets relativistes, tels que l'avance du périhélie
Notes et références
[modifier | modifier le code]Notes
[modifier | modifier le code]- Le demi-rayon de Schwarzschild ou rayon gravitationnel[1] est la moitié du rayon de Schwarzschild (pour lequel ces trajectoires sont circulaires).
- Entre le , date de parution de l'article d'Einstein sur lequel Schwarzschild s'appuie[7], et le suivant, date de la lettre par laquelle celui-ci annonce sa découverte à Einstein
chap. ,_IV II,_4-9">[8]. - L'autre singularité non-triviale de la métrique de Schwarzschild est sa singularité en r = 0
chap. 8 ,_sec. 8.1,_introduction-13">[11], chap. 5,_ pour m ≠ 0sec. 5.5-14">[12] chap. .IV,_ sec. 5-15">[13]
À noter qu'en raison de la présence de sin2(θ) dans la métrique de Schwarzschild, l'inversen. 1 de celle-ci présente deux autres singularités : θ = 0 et θ = πchap. 8,_ sec. 8.1,_introduction-16">[14] chap. 5,_ . Il s'agit de deux singularités de coordonnéessec. 5.5-14">[12] chap. 8,_ .sec. 8.1,_introduction-13">[11] - L'expression singularité de Schwarzschild peut aussi désigner la singularité gravitationnelle située au-delà de l'horizon des événements d'un trou noir de Schwarzschild
col. 2 ''s.v.''_singularité_de_Schwarzschild-23">[20].
Références
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Voir aussi
[modifier | modifier le code]Bibliographie
[modifier | modifier le code]Publications originales
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- [Heyvaerts 2012] Jean Heyvaerts, Astrophysique : étoiles, univers et relativité (cours et exercices corrigés), Paris, Dunod, coll. « Sciences Sup », , 2e éd. (1re éd. ), 1 vol., X-384, ill. et fig., 17 × 24 cm (ISBN 978-2-10-058269-3, EAN 9782100582693, OCLC 816556703, BNF 42740481, SUDOC 163817030, présentation en ligne, lire en ligne)vol., X-384&rft.isbn=978-2-10-058269-3&rft_id=info:oclcnum/816556703&rfr_id=info:sid/fr.wikipedia.org:Rayon de Schwarzschild">.
- [Hobson, Efstathiou et Lasenby 2009] Michael Hobson, George Efstathiou et Anthony N. Lasenby (trad. de l'anglais par Loïc Villain, révisé par Richard Taillet), Relativité générale [« General relativity : an introduction for physicists »], Bruxelles, De Boeck, , 1re éd., 1 vol., XX-554, 18 cm (ISBN 978-2-8041-0126-8, OCLC 690272413, BNF 42142174, SUDOC 140535705, présentation en ligne, lire en ligne)1 vol., XX-554&rft.isbn=978-2-8041-0126-8&rft_id=info:oclcnum/690272413&rfr_id=info:sid/fr.wikipedia.org:Rayon de Schwarzschild">.
- [Lambourne 2010] (en) Robert J. A. Lambourne, Relativity, gravitation and cosmology [« Relativité, gravitation et cosmologie »], Cambridge et Milton Keynes, CUP et OU, hors coll., , 1re éd., 310 p., 20,9 × 26,3 cm (ISBN 978-0-521-76119-2 et 978-0-521-13138-4, EAN 9780521761192, OCLC 690873048, Bibcode 2010rgc..book.....L, SUDOC 145497909, présentation en ligne, lire en ligne).
- [Pérez et al. 2008] José-Philippe Pérez (dir.), Olivier Pujol, Christophe Lagoute, Pascal Puech et Éric Anterrieu, Physique : une introduction, Bruxelles, De Boeck Université, , 1re éd., 1 vol., XII-492, ill. et fig., 21,5 × 27,5 cm (ISBN 978-2-8041-5573-5, EAN 9782804155735, OCLC 244443184, BNF 41139171, SUDOC 122944461, présentation en ligne, lire en ligne)vol., XII-492&rft_id=info:oclcnum/244443184&rfr_id=info:sid/fr.wikipedia.org:Rayon de Schwarzschild">.
- [Rougé 2002] André Rougé, Introduction à la relativité, Palaiseau, École polytechnique, (réimpr. ), 2e éd., 1 vol., 182, 17 × 24 cm (ISBN 978-2-7302-0940-3, EAN 9782730209403, OCLC 423892061, BNF 38954812, SUDOC 070449449, présentation en ligne, lire en ligne)1 vol., 182&rft.isbn=978-2-7302-0940-3&rft_id=info:oclcnum/423892061&rfr_id=info:sid/fr.wikipedia.org:Rayon de Schwarzschild">.
Ouvrages fondamentaux
[modifier | modifier le code]- [Choquet-Bruhat 2008] (en) Yvonne Choquet-Bruhat, General relativity and the Einstein equations [« Relativité générale et équations d'Einstein »], Oxford et New York, OUP, coll. « Oxford mathematical monographs », , 1re éd., XXIV-785 p., 15,6 × 23,4 cm (ISBN 978-0-19-923072-3, EAN 9780199230723, OCLC 493785270, DOI 10.1093/acprof:oso/9780199230723.001.0001, SUDOC 130297577, présentation en ligne, lire en ligne)XXIV-785&rft_id=info:doi/10.1093/acprof:oso/9780199230723.001.0001&rft_id=info:oclcnum/493785270&rfr_id=info:sid/fr.wikipedia.org:Rayon de Schwarzschild">.
- [Hawking et Ellis 1973] (en) Stephen W. Hawking et George F. R. Ellis, The large scale structure of space-time [« La structure à grande échelle de l'espace-temps »], Cambridge, CUP, coll. « Cambridge monographs on mathematical physics », (réimpr. ), 1re éd., XI-391 p., 15,1 × 22,7 cm (ISBN 0-521-20016-4 et 0-521-09906-4, EAN 9780521200165, OCLC 299342801, BNF 37358308, DOI 10.1017/CBO9780511524646, Bibcode 1973lsss.book.....H, SUDOC 004735110, présentation en ligne, lire en ligne [PDF])XI-391&rft_id=info:doi/10.1017/CBO9780511524646&rft_id=info:oclcnum/299342801&rfr_id=info:sid/fr.wikipedia.org:Rayon de Schwarzschild">
Autres
[modifier | modifier le code]- [Bičák 2000] (en) Jiří Bičák, « Selected solutions of Einstein's field equations : their role in general relativity and astrophysics », dans Bernd G. Schmidt (éd.), Einstein's field equations and their physical implications : selected essays in honour of Jürgen Ehlers [« Les équations du champ d'Einstein et leurs implications physiques : essais en l'honneur de Jürgen Ehlers »], Berlin et New York, Springer, coll. « Lecture notes in physics » (no 540), , 1re éd., 1 vol., XIII-433, 24 cm (ISBN 3-540-67073-4, OCLC 490408208, SUDOC 052238679, présentation en ligne, lire en ligne), chap. 1, p. 1-126 (Bibcode : 2000LNP...540....1B, résumé, lire en ligne)[[Bibcode]] : [https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2000LNP...540....1B 2000LNP...540....1B], [https://arxiv.org/abs/gr-qc/0004016 résumé], [https://arxiv.org/pdf/gr-qc/0004016.pdf%20format=pdf lire en ligne])&rft.tpages=1 vol., XIII-433&rft.isbn=3-540-67073-4&rft_id=info:oclcnum/490408208&rfr_id=info:sid/fr.wikipedia.org:Rayon de Schwarzschild">.
- [Einsenstead 1982] Jean Eisenstaedt, « Histoire et singularités de la solution de Schwarzschild (-) », Archive for History of Exact Sciences, vol. 27, no 2, , p. 157-198 (OCLC 5547723531, DOI 10.1007/BF00348347, JSTOR 41133669, Bibcode 1982AHES...27..157E).
- [Schutz 2003] (en) Bernard Schutz, Gravity from the ground up : an introductory guide to gravity and general relativity [« un guide d'introduction à la gravitation et à la relativité générale »], Cambridge, Cambridge University Press, hors coll., , 1re éd., 1 vol., XXVI-462, 20,1 × 25,4 cm (ISBN 978-0-521-45506-0, EAN 9780521455060, OCLC 492472672, DOI 10.1017/CBO9780511807800, SUDOC 075868741, présentation en ligne, lire en ligne)1 vol., XXVI-462&rft.isbn=978-0-521-45506-0&rft_id=info:doi/10.1017/CBO9780511807800&rft_id=info:oclcnum/492472672&rfr_id=info:sid/fr.wikipedia.org:Rayon de Schwarzschild">.
Articles connexes
[modifier | modifier le code]- Relativité générale
- Trou noir
- Géométrie de Schwarzschild
- Trou noir stellaire
- Trou noir supermassif
- Trou noir primordial
Liens externes
[modifier | modifier le code]- [Oxford Index] (en) « Schwarzschild radius » [« rayon de Schwarzschild »], notice d'autorité no 20110803100447401 de l'Oxford Index [html], sur la base de données Oxford Reference de l'OUP.
- (en) Cours astr160 de l'université Yale