fbpx

La réponse, enfin.

par Camille Hamet | 5 avril 2017

Des dizaines de téles­copes répar­tis à la surface de notre planète sont braqués vers une seule et même cible : Sagit­taire A, source parti­cu­liè­re­ment vive d’ondes radio­élec­triques située au centre de notre galaxie. Les données ainsi collec­tées seront analy­sées à l’ob­ser­va­toire de l’Ins­ti­tut de tech­no­lo­gie du Massa­chu­setts. Et quelques mois plus tard, le monde devrait voir la toute première photo­gra­phie d’un trou noir. Ou plutôt, de sa silhouette et de son entou­rage direct. Car, comme son nom l’in­dique, le plus mysté­rieux des objets célestes n’offre aucune autre prise au regard.

À ce jour, nous ne l’avons appré­hendé qu’à travers des simu­la­tions infor­ma­tiques. La plus célèbre est sans doute celle réali­sée par l’équipe du film Inters­tel­lar avec l’aide de l’as­tro­phy­si­cien améri­cain Kip Thorne, une sombre sphère cein­tu­rée par des anneaux de lumière. La photo­gra­phie captu­rée par des dizaines de téles­copes offrira-t-elle une image équi­va­lente ? Elle devrait en tout cas lever les derniers doutes quant à l’exis­tence des trous noirs. En revanche, l’énigme qu’ils renferment restera un enjeu théo­rique crucial pour la compré­hen­sion de l’Uni­vers. Lequel est peut-être multi­ple…

Sagit­taire A, au centre de la galaxie
Crédit : NASA

Un cadavre d’étoile

Les étoiles meurent. Notre propre étoile, le Soleil, mourra dans envi­ron 5 milliards d’an­née. Ses réserves d’hy­dro­gène seront épui­sées et ses couches exté­rieures s’échap­pe­ront. Son cœur se compri­mera jusqu’à deve­nir ce qu’on appelle une naine blanche. Mais les étoiles plus massives connaissent un sort encore plus terrible. Leurs couches exté­rieures sont éjec­tées lors d’une explo­sion qui génère briè­ve­ment l’un des objets célestes les plus brillants jamais obser­vés, une super­nova.

Au même moment, les couches internes s’ef­fondrent et le cœur implose. Il est bien­tôt réduit à un astre d’une telle densité que la Terre devrait se tasser dans une sphère d’un rayon de 1 cm pour être compa­rable. Et il finit par deve­nir ce qu’on appelle un trou noir. Ou plus préci­sé­ment, ce résidu finit par deve­nir un trou noir stel­laire, c’est-à-dire un trou noir dont la masse fait de trois à quelques dizaines de fois la masse du Soleil. Il en exis­te­rait une centaine de millions dans notre galaxie. Le point Sagit­taire A corres­pon­drait, lui, à un trou noir super­mas­sif, c’est-à-dire à un trou noir dont la masse fait des millions à des milliards de fois la masse du Soleil. Plus rares, ces monstres se trouvent néan­moins dans la plupart des galaxies. Mais pas n’im­porte où : à leur centre. Enfin, en théo­rie…

Le 23 mars dernier, la Nasa a annoncé avoir observé un spéci­men voguer à 35 000 années lumières de distance du noyau de sa galaxie – à 8 millions de kilo­mètres par heure. (Autre­ment dit, ce trou noir ferait le voyage de la Terre à la Lune en trois petites minutes.) Pour expliquer son éloi­gne­ment et sa vitesse, les astro­phy­si­ciens du Space Teles­cope Science Insti­tute table sur la collu­sion de deux trous noirs. Le choc aurait en effet été assez puis­sant pour entraî­ner le nouvel objet céleste dans une course éche­ve­lée.

En revanche, ce type de fusion ne suffi­rait pas à expliquer la forma­tion des trous noirs super­mas­sifs selon Alain Riazuelo, cher­cheur de l’Ins­ti­tut d’as­tro­phy­sique de Paris. « Il semble impos­sible de former des objets aussi gros à partir d’un trou noir stel­laire typique en 14 milliards d’an­nées, âge actuel de l’Uni­vers. Il faut donc envi­sa­ger un proces­sus inconnu qui permette très tôt dans l’his­toire de l’Uni­vers de former un trou noir stel­laire nette­ment plus massif, qui ensuite a éven­tuel­le­ment le temps de beau­coup gros­sir. »

Vue d’ar­tiste du trou noir
Crédit : NASA

Toujours est-il que tous les trous noirs sont des objets sphé­riques extrê­me­ment puis­sants. Ils sont si massifs et si compacts que rien n’est assez rapide pour se sous­traire à la force d’at­trac­tion qu’ils exercent dans leur entou­rage. Une fois passée leur surface, appe­lée hori­zon des événe­ments, nulle matière ne peut en réchap­per, pas même la lumière – d’où leur noir­ceur légen­daire. Et de ce côté-là de l’ho­ri­zon des événe­ments, la force gravi­ta­tion­nelle est si forte que les notions de temps et d’es­pace s’in­versent. Dans notre monde, le temps s’écoule. Dans le trou noir, il se fige et c’est l’es­pace qui s’écoule.

Mais avant d’être englou­tie par le trou noir, la matière s’échauffe forte­ment – d’où les anneaux brillants. Par ailleurs, le mouve­ment de rota­tion de la sphère fait qu’une quan­tité signi­fi­ca­tive de cette matière ne fran­chit pas l’ho­ri­zon des événe­ments : elle est au contraire éjec­tée vers l’ex­té­rieur. Ce sont ces violentes inter­ac­tions avec leur envi­ron­ne­ment qui permettent de repé­rer les trous noirs. La collu­sion de deux d’entre eux a en outre permis de véri­fier l’exis­tence des ondes gravi­ta­tion­nelles.

Théo­ri­sées par Albert Einstein, ces ondes sont une défor­ma­tion de l’es­pace-temps qui se propage dans l’Uni­vers à la manière des vagues sur l’eau, et elles ont été détec­tées pour la première fois en septembre 2015. « En une frac­tion de seconde, les trous noirs entrent alors en colli­sion à une vitesse de l’ordre de la moitié de celle de la lumière et fusionnent en un trou noir unique », détaille le Centre natio­nal de recherche supé­rieure. « Celui-ci est plus léger que la somme des deux trous noirs initiaux car une partie de leur masse (ici, l’équi­valent de trois soleils, soit une éner­gie colos­sale) s’est conver­tie en ondes gravi­ta­tion­nelles selon la célèbre formule d’Ein­stein E = mc2»  Le concept même de trou noir est un produit indi­rect de l’ima­gi­na­tion du physi­cien génial, bien qu’il n’ait jamais cru à sa réalité.

Simu­la­tion numé­rique d’ondes gravi­ta­tion­nelles
Crédit : NASA

Un para­doxe

Au début du XXe siècle, la plupart des physi­ciens reje­taient l’idée qu’un objet puisse deve­nir assez dense pour piéger la lumière. Une telle éven­tua­lité avait pour­tant été évoquée dès la fin du XVIIIe siècle par le géologue britan­nique John Michell et le mathé­ma­ti­cien français Pierre-Simon de Laplace. On parlait alors d’étoiles invi­sibles, ou encore d’astres occlus. Le terme de trou noir n’est pas utilisé avant 1967, lors d’une confé­rence du physi­cien améri­cain John Archi­bald Whee­ler. Entre-temps, la théo­rie de la rela­ti­vité géné­rale mise au point par Albert Einstein a cham­boulé le monde.

Quelques mois après sa publi­ca­tion en 1915, l’Al­le­mand Karl Schwarz­schild trouve une solu­tion exacte des équa­tions qui décrivent le champ gravi­ta­tion­nel produit par un corps sphé­rique dans le vide. Cette solu­tion établit le rayon mini­mal que doit avoir la source du champ gravi­ta­tion­nel pour que la métrique reste régu­lière. En 1939, les Améri­cains Robert Oppen­hei­mer et Hart­land Snyder étudient l’ef­fon­dre­ment d’une étoile en-deçà de cette limite et le résul­tat présente les carac­té­ris­tiques des astres occlus. Il faut néan­moins attendre les années 1960, et le déve­lop­pe­ment de l’ob­ser­va­tion astro­no­mique à l’aide des rayons X, pour que les premiers signes de leur exis­tence soient collec­tés.

Einstein au tableau

D’après le cher­cheur Alain Riazuelo, « la théo­rie d’Al­bert Einstein suffit à expliquer l’ob­ser­va­tion des trous noirs, mais elle demeure inca­pable de décrire leur centre où, intui­ti­ve­ment, la matière se concentre en un point de densité infi­nie ». Pour décrire ce point, qui est appelé singu­la­rité, il faudrait pouvoir conci­lier la rela­ti­vité géné­rale, qui s’ap­plique au gigan­tesque, avec la méca­nique quan­tique, qui s’ap­plique au minus­cule. Or les trous noirs recèlent le plus fasci­nant des para­doxes de la physique moderne, « le para­doxe de l’in­for­ma­tion ».

« L’in­for­ma­tion ne peut pas être perdue, c’est l’un des plus impor­tants prin­cipes de la méca­nique quan­tique », rappelle Daniele Pran­zetti, cher­cheur à l’École inter­na­tio­nale supé­rieure d’études avan­cées de Trieste. « Quand la matière tombe dans un trou noir, l’in­for­ma­tion qu’elle trans­porte n’est plus acces­sible pour nous, puisque rien ne peut s’échap­per de l’ho­ri­zon des événe­ments. Mais elle n’est pas vrai­ment perdue tant que cet hori­zon a une taille finie. Elle est vrai­ment perdue si le trou noir s’éva­pore et dispa­raît à cause de la radia­tion de Hawking. »

Comme son nom l’in­dique, ce dernier phéno­mène a été théo­risé par le célèbre physi­cien britan­nique Stephen Hawking, en 1975. Il a récem­ment été démon­tré de façon expé­ri­men­tale par un cher­cheur israé­lien, Jeff Stein­hauer. Dans son labo­ra­toire, point de souris, mais des trous noirs. Ou du moins leurs équi­va­lents acous­tiques, faits d’hé­lium refroidi à des tempé­ra­tures proches du zéro absolu et mis en rota­tion. Et ceux-ci émet­traient bel et bien des radia­tions obéis­sant à l’hy­po­thèse formu­lée par Hawking, qui ironise souvent : « Si nous venions à être englou­tis par un trou noir, il serait possible d’en sortir, d’une manière ou d’une autre. »

Un trou de ver

Pour résoudre le para­doxe de l’in­for­ma­tion, deux stra­té­gies théo­riques s’op­posent aujourd’­hui : celle des cordes et celle de la gravi­ta­tion quan­tique à boucles. L’Ita­lien Daniele Pran­zetti recourt à la seconde pour modé­li­ser un trou noir comme un condensé d’es­pace :  « Une collec­tion d’atomes qui partagent les mêmes proprié­tés, de sorte que, bien qu’il y ait un grand nombre d’entre eux, nous pouvons néan­moins étudier leur compor­te­ment collec­tif simple­ment en se réfé­rant aux proprié­tés micro­sco­piques de la parti­cule indi­vi­duelle. » Il peut alors utili­ser des tech­niques fami­lières en ther­mo­dy­na­mique pour étudier les proprié­tés et l’évo­lu­tion du trou noir. Dans l’es­poir d’ana­ly­ser un jour ce qui arrive à la singu­la­rité, et percer enfin le mystère du destin de l’in­for­ma­tion…

Celle-ci pour­rait ainsi rester enco­dée à la surface du trou noir, ce qui ferait de ce dernier une repré­sen­ta­tion bidi­men­sion­nelle d’un espace tridi­men­sion­nel : un holo­gramme. Stephen Hawking a lui-même évoqué cette idée. Il n’ex­clut pas non plus l’idée selon laquelle les trous noirs sont en réalité des trous de ver, c’est-à-dire des tunnels permet­tant de voya­ger dans l’es­pace-temps. Leur exis­tence a été suggé­rée dès 1935 par Albert Eisn­tein et Nathan Rosen. Une hypo­thèse qui a ample­ment irri­gué la science-fiction, de la litté­ra­ture au cinéma en passant par la télé­vi­sion. Dans Star­gate, le trou de ver permet par exemple de relier les planète entre elles. Mais dans la réalité, il pour­rait même relier des univers entiers.

Repré­sen­ta­tion sché­ma­tique d’un trou de ver

Stephen Hawking, comme nombre de théo­ri­ciens, pense en effet que le Cosmos ne se résume pas à un seul Univers. Il se compo­se­rait plutôt d’une multi­tude d’uni­vers invi­sibles les uns aux autres et possé­dant chacun leurs propres lois et leurs propres parti­cules. « Certains [univers] ressemblent au nôtre, la plupart sont très diffé­rents », écrit Hawking dans son ouvrage The Grand Design, paru au Royaume-Uni en 2010. D’autres vont encore plus loin.

Pour le physi­cien polo­nais Niko­dem Poplawski, la singu­la­rité d’un trou noir, qu’il décrit comme une semence ou une graine, est à l’ori­gine de notre univers. Lorsque certaines condi­tions ont été réunies, cette « graine », présente dans un univers plus ancien, aurait « rebondi » et formé un nouvel univers, dès lors en expan­sion. Notre univers ne serait donc pas né d’un Big Bang il y a 14 milliards d’an­nées, mais d’un « Big Bounce » – un « Grand Rebond ». Cela répon­drait, selon Poplawski, à de nombreuses ques­tions aujourd’­hui sans réponse. « Qu’est ce qui a provoqué le big bang ? Qu’est-ce qui a mis un terme à l’in­fla­tion ? Quelle est la source de la mysté­rieuse éner­gie sombre qui accé­lère appa­rem­ment l’ex­pan­sion de l’uni­vers ? », énumère-t-il dans un article paru en 2012. « L’idée que notre univers est contenu dans un trou noir résout ces problèmes et bien d’autres encore. Elle élimine la notion de singu­la­ri­tés physique­ment impos­sibles dans notre univers. »

Dans le modèle de Niko­dem Poplawski, où les univers semblent s’em­boî­ter à l’in­fini comme des poupées russes, les trous de ver ne nous permet­traient peut-être pas d’ac­cé­der à n’im­porte quel univers, seule­ment à notre « univers-mère », ou bien au contraire à notre « univers-bébé ». Ils ne seraient donc plus de simples tunnels, mais de véri­tables cordons ombi­li­caux. Et tous les trous noirs ne seraient pas forcé­ment des trous de vers. Ceux qui éveillent le plus la curio­sité de Poplawski sont vrai­sem­bla­ble­ment les trous noirs super­mas­sifs qui trônent au centre des galaxies. « Peut-être que les immenses trous noirs au centre des galaxies comme la Voie Lactée sont des ponts vers d’autres univers », a-t-il par exemple écrit dans un article publié en 2010. Il doit donc être parti­cu­liè­re­ment excité à l’idée de voir la véri­table silhouette de Sagit­taire A fina­le­ment captu­rée par des téles­copes terrestres.

Vue d’ar­tiste d’un trou noir
Crédit : NASA

Couver­ture : Le trou noir d’In­ters­tel­lar. 


 

PLUS DE SCIENCE