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. 


 

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