Scrutant l obscurité : la modélisation des trous noirs à l école primaire Teach article

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?

Figure 1 : Vue d’artiste d’un
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).

Les trous noirs

Figure 2 : Un trou noir :
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).

Une image de la galaxie NGC
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.

 

Activité 1 : Modélisation de la formation d’un trou noir

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.

Equipment

Chaque groupe de travail a besoin de :

  • Un ballon
  • Quelques feuilles de papier d’aluminium, chacune d’environ 30 cm de côté
  • Une aiguille pour éclater le ballon.

Méthode

  1. Demandez aux élèves de gonfler le ballon et de l’attacher fermé. Ils doivent ensuite envelopper le ballon dans plusieurs couches de papier d’aluminium pour créer l’étoile modèle.
  2. Expliquez que les couches de feuilles d’aluminium représentent les différentes couches de gaz de l’étoile, et que le ballon qui leur donne leur forme est analogue au noyau ardent chaud de l’étoile. A l’’intérieur du noyau, la chaleur créée par la fusion thermonucléaire exerce une pression sur les couches de gaz de l’étoile, ce qui les empêche de s’effondrer.
  3. Demandez aux élèves de simuler l’effet de la gravité en essayant de comprimer légèrement le ballon. La pression du noyau est telle que l’étoile ne peut pas s’effondrer par gravité.
  4. Quand une étoile atteint la fin de sa vie, elle est à court de combustible dans le cœur et n’est plus en mesure de tenir les couches de gaz. Demander aux élèves de faire éclater le ballon avec l’aiguille, ce qui simule ce processus.
  5. Encore une fois, ils devraient essayer de comprimer le ballon avec leurs mains pour imiter l’effet de la gravité. Cette fois, ils seront en mesure de compresser la feuille en une petite boule, qui simule la formation d’un trou noir. A noter que la masse de la petite boule est la même que celle du modèle étoile, mais leurs dimensions sont très différentes.

Discussion

Figure 3 : Les matériaux
nécessaires à l’activité 2
.
Image reproduite avec
l’aimable autorisation de
Charlotte Provost et Monica
Turner
  • Si une vraie étoile était de la taille du ballon, alors quel serait vraiment la taille du trou noir ? Le ballon est froissé trop grande ou trop petite pour représenter un véritable trou noir ? 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.
  • Qu’est-ce qui se passerait si vous utilisé plus de morceaux de papier d’aluminium pour faire les couches de gaz de l’étoile ? L’étoile serait ’elle plus massive ? Qu’en est-il du trou noir ?

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.

  • Le concept de densité (masse par unité de volume) pourrait être introduit ici. Qui a une densité plus élevée, l’étoile ou 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.

Activité 2 : Modélisation de l’action d’un trou noir

Etape 4 : placer la boule
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.

Equipment

Chaque groupe de travail a besoin de (figure 3) :

  • Une bande élastique léger utilisée pour les blessures musculaires (par exemple Tubifix, vendu dans les pharmacies), les plus grandes disponibles (utilisé pour le thorax)
  • Une petite bille
  • Une boule très lourde (comme celles utilisés dans les jeux de boules, de bocce ou de pétanque)
  • Une paire de ciseaux pointus.

Méthode

Étape 5 : rouler une petite
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
  1. Coupez un morceau de bande élastique d’environ 40 cm de long. Si elle est tubulaire, vous aurez besoin de la couper ouverte sur un côté.
  2. Demandez à plusieurs élèves d’étirer la bande horizontalement jusqu’à ce qu’elle devienne tendue, pour représenter un espace à deux dimensions.
  3. Placer la bille sur la bande, et faite la rouler à travers la surface du bandage. Son chemin doit être une ligne droite, analogue à celle d’un rayon lumineux traversant l’espace.
  4. Placez la boule lourde sur la bande, et vous verrez comment elle déforme le tissu de l’espace. L’espace devient courbe autour de la lourde masse.
  5. Faire rouler la bille à proximité de la masse, sa trajectoire devrait être modifiée par la déformation de la bande. Ceci est similaire à ce qui arrive à la lumière passant à proximité d’un objet massif qui déforme l’espace qui l’entoure. Essayez de varier la vitesse de la bille pour voir comment sa trajectoire change.
  6. Le plus concentré la masse centrale (c’est-à -dire, la plus lourde est la boule), la plus incurvée la bande sera. Cela augmente la profondeur du « puits gravitationnel », à partir de laquelle la bille ne serait pas en mesure de s’échapper.
  7. Comme la bille passe à proximité de la grosse boule, elle commence à tourner autour du « trou noir » et tombe finalement dedans. Une fois qu’elle est là, vous pouvez voir comment les choses peuvent facilement tomber dans un trou noir, mais ont de la difficulté à en sortir. C’est ce qui arrive avec les trous noirs : leur gravité déforme l’espace d’une manière telle que la lumière ou d’autres objets tombent dedans et ne peut pas s’échapper.

Discussion

Figure 6 : Utilisation de billes
de différents poids.

Image reproduite avec
l’aimable autorisation de
Charlotte Provost et Monica
Turner
  • Que se passe-t-il quand vous diminuez la vitesse de la bille ? Pourquoi ? 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.
  • Que se passe-t-il lorsque vous utilisez une boule plus lourde ? Qu’en est-il d’une bille plus lourde (figure 6) ? 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.
  • Comment êtes-vous en mesure de dire s’il y a un trou noir quelque part en observant les mouvements des étoiles ? 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.

Remerciements

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.

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References

Web References

Resources

Author(s)

Monica Turner a obtenu son Bachelors in Science en physique à l’Université McGill à Montréal, au Canada, puis a complété sa maîtrise en astronomie à l’Université de Victoria, à Victoria, au Canada. Elle travaille actuellement sur son doctorat en astronomie à l’Observatoire de Leiden aux Pays-Bas. Monica a travaillé comme assistant d’enseignement dans des cours d’astronomie, ainsi que travailler avec de jeunes enfants dans des camps de la science, et est actuellement impliqué avec l’EU Universe Awareness (UNAWE)w4.


Review

Dans cet article, l’auteur décrit brièvement comment les trous noirs sont formés dans l’espace et comment ils interagissent avec ce qui est connu comme ‘espace-temps’. Elle décrit ensuite de très simples mais impressionnantes expériences pour démontrer la formation de trous noirs et comment ils peuvent influencer l’espace autour d’eux.

Questions de compréhension appropriée après les activités :

  • Décrire les trous noirs.
  • Qu’est ce qui permet aux étoiles d’être stables ? (Vos élèves pourraient discuter la gravité et la fusion.)
  • Qu’est-ce qu’une singularité ?
  • Comment la gravité influence-t-elle des objets massifs ? Qu’en est-il des photons (lumière) ?
  • Que sont les trous noirs super massifs ?

Gerd Vogt, HLUW Yspertal, Autriche




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