Traduit par Caroline Neuberg.
Avez-vous des difficultés à expliquer les trous noirs à vos élèves ? Pourquoi ne pas essayer ces activités simples dans la salle de classe?
trou noir. Le trou noir n'est
qu'un point dans le centre,
mais sa gravité est si forte
que la lumière des étoiles
autour d'elle n'est pas en
mesure de s'échapper.
Image reproduite avec
l'aimable autorisation de
l'Agence Spatiale Européenne,
la NASA et Felix Mirabel
(Commissariat Français à
l'Energie Atomique et aux
Energies Alternatives et
l'Institut pour l'Astronomie et
de Physique de l’Espace/
Conicet de l'Argentine)
Beaucoup de jeunes ont entendu parler des trous noirs et comprennent que si quelque chose tombe dedans, il ne peut pas en sortir - même la lumière ne peut s'en échapper. Voilà l’origine du nom trou noir : il s'agit d'un point dans l'espace qui n'émet pas de lumière (figure 1). Ce n'est pas un concept facile à expliquer. Par conséquent, dans cet article, je présente brièvement les trous noirs et décris ensuite deux activités simples pour aider les élèves de l'école à visualiser ce qui se passe. Chaque activité devrait prendre environ une heure, les deux sont adaptés pour les élèves âgés de 10 à 14 ans (bien noter que l'auteur suggère d'utiliser les activités avec les élèves âgés de 10 à 19).
l’effondrement d’une étoile
ou singularité ; l'horizon des
événements, une région
autour de la singularité où
même la lumière ne peut
s’échapper, et la région en
dehors de l'horizon des
événements, où les objets
peuvent sentir la gravité du
trou noir sans devenir piégé.
Cliquer sur l’image pour
l’agrandir.
Image reproduite avec
l'aimable autorisation de
Monica Turner
Les trous noirs se forment lors de la mort d'étoiles très massives (au moins plusieurs fois la masse de notre Soleil).
Une étoile est constituée d'un noyau chaud entouré de plusieurs couches de gasw1. Dans le noyau de l'étoile, les éléments plus légers tels que l'hydrogène et l'hélium sont joint par fusion thermonucléaire pour former des éléments plus lourds tels que les métaux. La chaleur générée lors de ce processus exerce une pression vers l’extérieur, qui s'oppose à la force de la pesanteur tirant le gaz vers le centre de l'étoile et donnant à l'étoile sa grande taille. Cependant, quand l'étoile est à court de carburant dans son noyau, elle n'est pas en mesure de soutenir ces couches externes de gaz lourds. Si l'étoile mourante est très massive, la gravité va tirer sur le gaz et forcer l’étoile à devenir de plus en plus petite jusqu'à ce que sa densité atteigne l'infini en un seul point, qui est appelé une singularité(figure 2).
3621, prise à l'aide du Very
Large Telescope de
l'Observatoire Européen
Austral (ESO). Cette galaxie
est soupçonnée d'avoir un
trou noir supermassif actif
en son centre qui engloutit la
matière et produit des
rayonnements.
Image reproduite avec
l'aimable autorisation de l'ESO
Près de la singularité, la gravité est si forte que rien ne peut s’échapper. La vitesse de libération devrait être supérieure à la vitesse de la lumière - même la lumière ne peut s’échapper, ce qui explique pourquoi le trou noir est noir. (Ce n'est pas réellement un trou, en fait : il y a beaucoup de matière là-dedans, même si nous ne pouvons pas la voir.)
A une certaine distance de la singularité, la gravité est assez faible pour permettre à la lumière de s’échapper, donc des objets au-delà de cette distance sont visibles. Cette limite est appelée l'horizon des événements. Les objets à l'extérieur de l'horizon des événements sentent encore la gravité du trou noir, et seront attirés vers lui, mais ils peuvent être vus et peuvent potentiellement éviter de tomber dedans. Cependant, une fois que les objets sont aspirés à l'intérieur de l'horizon des événements, il n'y a pas de retour.
Après la formation du trou noir, il peut se développer en absorbant de la masse de ses environs, comme d'autres étoiles et d’autres trous noirsw2. Si un trou noir absorbe suffisamment de matière, il peut devenir un trou noir super massif, ce qui signifie qu'il a une masse de plus d'un million de masses solaires. On croit que les trous noirs super massifs existent dans les centres de nombreuses galaxies, y compris dans la Voie Lactée.
Habituellement, les astronomes observent des objets dans l'espace en regardant la lumière : par exemple, ils étudient ainsi les étoiles (par exemple, voir Mignone & Barnes, 2011). Cependant, comme les trous noirs n'émettent pas de lumière, ils ne peuvent pas être observé de manière habituelle. Au lieu de cela, les astronomes doivent observer les interaction du trou noir avec d'autres objets. Une façon de le faire est de regarder les mouvements des étoiles autour du trou noir, puisque leurs orbites seront modifiées par sa presencew3.
This activity will demonstrate to students how a black hole is formed through the collapse of a massive star, once the core of the star is unable to support the weight of the outer layers of gas surrounding it. The time needed should be about one hour.
Cette activité va démontrer aux élèves comment un trou noir est formé par l'effondrement d'une étoile massive, une fois que le noyau de l'étoile n'est pas en mesure de supporter le poids des couches externes de gaz qui l'entourent. Le temps nécessaire devrait être d'environ une heure.
Chaque groupe de travail a besoin de :
nécessaires à l'activité 2.
Image reproduite avec
l'aimable autorisation de
Charlotte Provost et Monica
Turner
Réponse : La boule comprimée est beaucoup trop grande pour représenter un trou noir. Même un véritable trou noir, formé par une étoile massive, est plus petit que la pointe d'un crayon.
Bâtir l'étoile avec plusieurs couches de gaz (représentées par les feuilles d’aluminium) rendrait l'étoile plus massive. Cela conduirait également à la formation d'un trou noir plus massif, car il y aurait plus de matériel avec lequel former le trou noir.
Bien qu'ils aient une taille différente, l'étoile et le trou noir ont la même masse, car ils sont fabriqués à partir de la même quantité exacte de matériel. Cependant, étant donné que le trou noir est plus petit, il a plus de matière contenue dans moins de volume, et a donc une densité plus élevée.
lourde dans le centre
provoque la courbure du
tissu espace-temps.
Image reproduite avec
l'aimable autorisation de
Charlotte Provost et Monica
Turner
Dans cette activité, les élèves vont construire un modèle d'un trou noir pour les aider à visualiser comment un trou noir peut « plier » l'espace-temps et affecter les objets à proximité. L'activité devrait prendre environ une heure.
Chaque groupe de travail a besoin de (figure 3) :
bille le long de la bande, et
observer comment sa
trajectoire est modifiée.
Image reproduite avec
l'aimable autorisation de
Charlotte Provost et Monica
Turner
de différents poids.
Image reproduite avec
l'aimable autorisation de
Charlotte Provost et Monica
Turner
Lorsque la vitesse de la bille est suffisamment élevée, la bille a suffisamment d'énergie pour échapper à la gravité du trou noir. Cependant, si la vitesse de la bille est trop faible, la force de la gravité du trou noir est trop forte et la bille ne sera pas en mesure de s'échapper.
Parce que les objets plus massifs créent une force gravitationnelle plus forte, dans les deux cas, vous aurez besoin de lancer la bille plus fortement pour qu’elle puisse échapper à la gravité du trou noir.
Si un trou noir devient suffisamment massif, les étoiles qui passent à proximité seront prises au piège dans son champ gravitationnel et commenceront à orbiter le trou noir, un peu comme les planètes de notre système solaire orbitent le Soleil. En observant les mouvements de nombreuses étoiles, les astronomes peuvent rechercher les étoiles qui ont des orbites autour du même point central. S'ils ne peuvent pas voir un objet à ce point central, c'est la preuve qu'un trou noir pourrait être présent.
Activité 1 a été adapté du manuel de démonstration ‘Voyage à un trou noir’ sur le site web Inside Einstein’s Universew4. Cette activité a été à son tour adapté à partir de l'activité ‘Feuille d’aluminium, ballons, et trous noirs’ sur le site web de Imagine the Universe de la NASAw1.
Activité 2 est adapté d'une ressource de la base de données UNAWE par Ricardo Moreno exploration de l'univers, UNAWEw5 Espagne.
Cliquez ici pour trouver l’original de l’activité 1.
Székely P, Benedekfi Ö (2007) Fusion dans l'Univers: lorsque meurt une étoile géante.... Science in School 6.
Boffin H, Pierce-Price D (2007) Fusion dans l'univers : nous sommes tous des poussières d'étoiles. Science in School 4.
Rebusco P, Boffin H & Pierce-Price D (2007) Fusion in the Universe: where your jewellery comes from. Science in School 5: 52-56.
Rosenberg M (2012) Recréer une éclipse en classe. Science in School23.
Jeanjacquot P, Lilensten J (2013) Casting light on solar wind: simulating aurorae at school. Science in School 26: 32-37.