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le trou noir
le trou noir
Pour mieux comprendre les propriétés de cet objet exotique et fascinant, si le Soleil devenait un trou noir, à condition que sa masse soit suffisante, la Terre resterait sur l'orbite qu'elle a toujours eu, sans tomber sur lui. En fait, la force d'attraction du Soleil avant et après qu'il se soit effondré serait la même. Les seules différences notables seraient que nous ne bénéficierions plus de sa chaleur et nous pourrions nous approcher jusqu'à environ 1.5 km de la singularité, où quasi instantanément le champ de force augmentera jusqu'à l'infini. Il sera alors trop tard pour faire marche arrière.
Ce Soleil-trou noir ne serait pas, comme on l’imagine souvent, un endroit hyperdense localisé dans l’espace mais une singularité de l’espace-temps. Autrement dit à l’endroit où se trouvait le Soleil se trouve maintenant un objet, un "puits sans fond" et sans reflets autour duquel vont et viennent les spéculations les plus débridées à propos des effets de la gravité quantique. Notons qu'à mesure que le trou noir aspire la matière alentour, en vertu des lois de la théorie de la relativité générale, sa masse augmenterait sans cesse, sans nécessairement connaître de limite. Ainsi un trou noir de plusieurs milliards de masses solaires n'est pas inconcevable.
Au centre se trouverait une singularité plus petite qu’un noyau atomique, de 10-33 cm, entourée d’un espace vide jusqu’à l’horizon des événements et d’un espace presque vide, composé de gaz entre l’horizon et la limite statique. La température du Soleil-trou noir serait égale à 10-7 K.
Le rayonnement émis par un trou noir, où plutôt par l’interface qui le relie au monde extérieur, son ergosphère, se compose de particules sans masse de repos qui se déplacent dans l’espace à la vitesse de la lumière. Il s’agit des photons, des électrons, des neutrinos muoniques, de leurs antiparticules et des gravitons qui restent à découvrir.
Un trou noir d’origine stellaire, et non pas formé dans l’univers primordial, émet un flux qui se compose de 81e neutrinos, 17e photons et seulement 2e gravitons. Ce spectre d’émission très particulier est lié aux propriétés des différentes particules. Les physiciens nous disent que les neutrinos sont majoritaires parce que leur nombre de spin est minimum (1/2) alors que celui des gravitons est maximum (2).
Rappelons que la température d’un trou noir est inversement proportionnelle à sa masse. Ainsi la température d’un trou noir de 1014 kg dépasse 1010 degrés. En plus des particules déjà citées, il produit également des paires d’électron-positrons. Un trou noir de 5x1014 g émettra également des muons et des particules élémentaires plus lourdes. La dimension de ces trous noirs est de l’ordre de 10-11 cm, il ne faudrait pas un télescope mais un microscope pour les trouver ! Bien sûr ces types de trous noirs ne peuvent pas se former au cours de l’évolution stellaire. Il s’agit de trous noirs dits "primordiaux" formés au début de l’expansion de l’univers.
Selon Hawking, Novikov et Zel’dovitch ils seraient aujourd’hui tous évaporés. C’est la raison pour laquelle la "radiation Hawking" sur laquelle nous insisterons est extrêmement importante pour la cosmologie.
Cela signifie aussi que nos détecteurs sont pratiquement incapables de détecter les trous noirs. Ce sont principalement les photons gamma qui peuvent nous renseigner sur leur nature. Nous captons trop peu de neutrinos et sous des angles bien trop dispersés pour être sûr qu’ils proviennent de trous noirs, que nous n’avons d’ailleurs pas encore découverts avec certitude...
La seule façon d’y voir clair dans ce flou quantique reste encore la modélisation.
Les paramètres surfaciques
Etant donné que vu de l’extérieur le trou noir se résume à son horizon, à sa surface de contact, les physiciens rassemblés autour de Kip Thorne[6] de Caltech ont tenté d'expliquer leurs particularités, non plus globalement à partir de leur masse, leur charge électrique ou de leur moment angulaire, mais localement en étudiant les propriétés de cette surface. Cette étude permet l'introduction de nouveaux paramètres dits "surfaciques" : la densité de charge, la résistivité électrique et la viscosité. Ces paramètres se rapprochent des modèles de fluides visqueux et conducteurs, tels que les bulles ou les membranes fluides. Ces objets présentent aussi certaines propriétés mécaniques. Ce rapprochement permet aux chercheurs de plancher depuis le début des années 1970 sur un nouveau modèle de trou noir qui serait semblable à une membrane fluide
Mais en réalité une telle surface n’existe pas ! Il faut considérer ce concept comme une image simplifiée qui convient dans la plupart des cas pour établir des prédictions, comme la notion de sphère céleste qui permet d’expliquer les lois de la mécanique céleste
Ceci étant précisé, si on accepte l'idée de Chandrasekhar[7] selon laquelle un trou noir peut également subir l'influence d'une perturbation extérieure, le mouvement de sa membrane pourrait générer des ondes de gravités amorties (variables), appelées dans ce cas des ondes gravitationnelles. Comme les ondes sonores se propagent dans la matière, une onde gravitationnelle se propage en modifiant l'espace-temps. Quasi immatérielle, cette onde peut induire des effets d’oscillations sur les corps massifs. Nous y reviendrons dans le dossier consacré à la théorie de la relativité.
Les forces de marées
Dans l’environnement terrestre chacun a déjà remarqué que les force de marées sont négligeables, exception faite du flux et du reflux de la mer. L’extension que provoque les forces de marées sur un corps correspond à une pression de 10-10 atmosphère. Mais dans l’environnement d’un trou noir, ces forces sont gigantesques. Plus la taille et la masse d’un trou noir sont petits, plus fortes seront les forces de marées sur l’horizon.
Pour un trou noir de 10 km de diamètre, les forces de marées varient de 1/16 g à 15 g entre 100000 et 20000 km de l’horizon des événements. Cette pression est encore plus élevée pour les trous noirs plus petits. Aucun être humain ne peut survivre dans de telles conditions
Mais le champ gravitationnel d’un trou noir n’est pas uniforme et déforme rapidement les objets les plus massifs. Etant donné que la tête d’un objet est plus proche du centre du trou noir que sa partie arrière, son accélération est plus grande que celle subie par la partie arrière. S’ajoute à cet effet le phénomène de marée car la direction de l’accélération des différentes parties de l’objet dépend de leur distance à l’axe fictif qui relie le centre de gravité de l’objet à celui du trou noir. Dans de telles conditions, tout objet prend la forme d’une ellipsoïde rétrécie dans toutes les directions horizontales.
Pour un trou noir de 100 M¤, les forces de marées correspondent à une pression de 100 atmosphères. Inversement, pour un trou noir de 106 M¤ l’horizon est cent mille fois plus grand et les forces de marées 10p10 fois plus faibles, puisqu’elles sont inversement proportionnelles à la masse du trou noir. Sous l’horizon, ces forces sont mêmes inférieures à celles que nous subissons sur Terre ! Du reste, les trous noirs massifs (quelques milliers de M¤, présentant un diamètre de quelques dizaines à 2 millions de km) disloquent les étoiles avant de les engloutir car leur enveloppe est progressivement étirée jusqu'à ce qu’elle soit déchiquetée en dégageant énormément d'énergie.
C'est en tous cas la théorie proposée en 1967 par Donald Lynden-Bell de l’Université de Cambridge pour expliquer le rayonnement intense que l'on détecte dans les quasars et dans la région centrale du disque de la Voie Lactée. Lorsqu'il "pèse" plus d'un million de masses solaires, un trou noir est en mesure d'avaler les étoiles toute entière sans les disloquer ! Leur sphère d'influence s'étend sur des centaines de millions de kilomètres, voire pour les plus gros, sur plusieurs dizaines d'années-lumières, sous-tendant une zone inférieure à la seconde d'arc à la distance de la galaxie d'Andromède (2.2 millions d’années-lumières).
Si notre ami David de la fiction éducative avait exploré un trou noir très massif, de plusieurs millions de masses solaires, il aurait constaté que le trou noir était dépourvu de disque d’accrétion. En conséquence de quoi, à l’intérieur du vaisseau, tout aurait été au repos. David aurait parfaitement supporté les forces de marées qui seraient insignifiantes. C’est ainsi que plus un trou noir devient massif, plus il se refroidit et plus sa densité diminue, de façon inversement proportionnelle au carré de son rayon (r » 1/R2).
C’est ce phénomène qui permit de dire à Kip Thorne ou Michio Kaku qu’il était tout à fait possible de traverser un trou noir hypermassif et déboucher dans un univers parallèle. En réalité leur trou noir est associé à un trou blanc et un trou de ver qui relie deux univers. Reste à déterminer les effets quantiques dans cet environnement exotique, domaine qui reste actuellement à l’état spéculatif. La plupart des physiciens pensent qu'en vertu des fluctuations quantiques, le pont d’Einstein-Rosen se refermera en un efraction des seocnde. Actuellement, leur dimension avoisine 10-33 cm et leur durée de vie 10-43 sec ! Cela ne nous laisse même pas le temps de planifier un plan de vol...! Reste à trouver une méthode pour en fabriquer artificiellement à partir de matière exotique. La théorie des supercordes pourra peut-être un jour nous expliquer ce qui se passe réellement dans ces trous de vers
En 1784, devant l'auditoire de la Royal Society de Cambridge, le révérend John Michell[1] géologue et astronome amateur anglais suggéra que "les particules de lumières étaient attirées de la même façon que les autres corps". A partir de cette hypothèse fondamentale, il formula pour la première fois le concept de trou noir:
"Si disait-il, le demi grand-axe d’une sphère de même densité que le Soleil dépassait le rayon de celui-ci dans une proportion de 1 à 500, alors un corps, tombant d’une hauteur infinie vers lui, aurait acquis à sa surface une plus grande vitesse que celle de la lumière, et par conséquent, en supposant que la lumière soit attirée par la même force en proportion de sa force d’inertie, comme d’autres corps, toute la lumière émise par un tel corps y retournerait, par sa propre gravité".
Il expliquait que malgré le fait que ces corps étaient invisibles, ils devaient provoquer des effets gravitationnels décelables : "s’il arrivait que quelque autre corps lumineux tourne autour d’eux, des mouvements de ces corps tournants, nous pourrions peut-être encore déduire l’existence du corps central avec quelque degré de probabilité; cela pourrait aussi bien nous apporter une indication concernant quelques unes des irrégularités des corps tournants, qui ne serait pas aisément explicable par aucune autre hypothèse". Mais la thèse de Michell restait trop abstraite et ne recevra aucun écho.
Il faudra attendre 1796 pour que le marquis Pierre Simon de Laplace, mathématicien, philosophe et astronome passionné par la mécanique céleste et la gravitation redécouvre cette idée. Il écrivait dans son Exposition du Système du Monde : "Un astre lumineux, de la même densité que la Terre, et dont le diamètre serait 250 fois plus grand que le Soleil, ne permettrait, en vertu de son attraction, à aucun de ses rayons de parvenir jusqu'à nous. Il est dès lors possible que les plus grands corps lumineux de l'univers puissent, par cette cause, être invisibles". Il présentera sa thèse devant l'auditoire de l'Académie des Sciences mais ceux-ci resteront sceptiques sur les chances d'existence d'un tel objet. Ainsi naquit le concept du trou noir mais la démonstration mathématique de Laplace semblait fantaisiste aux yeux des astronomes.
Le trou noir restera encore dans l'obscurité durant plus d'un siècle. Il réapparut au XXeme siècle, lorsque Einstein posa les principes de la relativité générale.
Pierre Simon de Laplace
En 1916, Karl Schwarzschild découvre que cette théorie permet l'existence de singularités sphériques et statiques, immobiles, prenant le cas théorique d'une masse infinie effondrée en un point. Il calcula la courbure de l'espace-temps dans ces conditions, à savoir la distorsion du temps et le rayon minimum sous lequel la matière piégerait le rayonnement ad vitam aeternam.
En 1918, les physiciens Heinrich Reissner et Gunnar Nordstrom révélèrent que si la matière avait une charge électrique - matière d'origine non stellaire, sinon elle serait électriquement neutre en raison de l'attraction des charges opposées - la charge serait conservée sous la forme d'un champ électrique qui se propagerait autour de la singularité.
C'est alors que cette entité sorti tout droit des équations de Robert Oppenheimer et Hartland Snyder[2]. Tous deux démontrèrent l'existence des singularités en 1939, concluant : "Quand toutes les sources d'énergies thermonucléaires seront épuisées, une étoile suffisamment massive s'effondrera"; c'est le trou noir statique de Schwarzschild.
Le mathématicien néo-zélandais Roy Kerr démontra en 1963 qu'une singularité conservait le moment cinétique d'une étoile en rotation qui s'effondrait. Cela signifiait que si une singularité tournait sur elle-même comme une toupie, elle changerait de forme et deviendrait un anneau de densité infinie : c’est le trou noir de Kerr. Il prévoyait également une ergosphère autour de la singularité, une région dans laquelle la matière peut s'évader si elle est animée d'une vitesse proche de celle de la lumière.
C'est le physicien John Archibald Wheeler de l'Université de Princeton qui, en 1967, dénomma "trou noir" une telle singularité et l'enveloppe qui l'entoure.
En 1963, lorsque Stephen Hawking fit son premier séminaire sur le sujet à Paris, sa théorie n'eut pas un gros succès. Les Français n'appréciait pas le nom qui avait une connotation sexuelle douteuse et auraient bien aimé appeler cet objet '“astre occlus” en hommage à Laplace. Le terme anglais entra dans l'histoire et sera traduit mot pour mot dans toutes les langues.
Avec le recul, il traduit bien le caractère mystérieux qui recouvre cette entité : elle est à la fois cachée à nos regards au sens strict et provoque un grand impact d'un point de vue psychologique. John Wheeler n'est pas à sa première réflexion du genre. On le connaît pour avoir dit dans le même ordre d'idée "Le temps est ce qui empêche tout de se produire une seule fois" et quelques autres expressions cocasses sur lesquelles nous reviendrons. Cette notion de temps nous sera très utile par la suite, non seulement à propos des trous noirs mais également en thermodynamique (théorie du chaos) ou en mécanique céleste, autant de sujets que nous prendrons... le temps d'approfondir dans d'autres pages.
Propriétés
Loin d'avoir un impact mystique ou dramatique sur les astrophysiciens, astronomes du visible ou de l’invisible, l'étude des trous noirs est fascinante et mérite bien le détour.
Le trou noir est un objet théorique dont nous trouvons l'origine dans le produit final de l'effondrement gravitationnel d'une étoile. Cette évolution peut se produire pour une étoile dont le coeur présente une masse supérieure à environ 3 M¤[3], soit plus de 20 M¤ sur la Séquence principale
Cette faible valeur semble être une fantaisie car il existe des millions et des milliards d'étoiles entrant dans cette catégorie, mais les travaux des physiciens ont démontré que lorsque le champ gravitationnel d'une telle étoile atteint une certaine grandeur et est fortement variable, il induit des phénomènes physiques totalement nouveaux. Il est si puissant qu'il agit sur le rayonnement au point de l'empêcher de s'échapper. Cet astre singulier est parvenu à un point de non retour, c'est la "singularité de Schwarzschild".
En pratique seules les étoiles massives sont concernées par cet effondrement stellaire. Mais en théorie, si toute la masse d'un astre était comprimée dans une minuscule sphère, elle pourrait se transformer en trou noir. Ainsi, ce rayon critique serait de 3 km pour le Soleil et 9 mm pour la Terre ! Imaginez-vous un système binaire constitué de ces deux minuscules trous noirs : une Terre réduite à une punaise tournant à 150 millions de kilomètres d’une petite astre invisible de 6 km de diamètre... Un couple surréaliste ! Mais revenons à notre étoile en train de s'effondrer.
Le trou noir
La limite de Schwarzschild (II)
En 1932 Subrahmanyan Chandrasekhar alors à l'Université de Cambridge et Lev Landau de l'Université de Moscou ont démontré que des astres parvenus au stade final de leur évolution, froids et sans réactions nucléaires pouvaient s'effondrer sous leur propre poids, au point de dépasser le stade d'étoile à neutrons. Si l'étoile à présent inerte atteint le rayon critique de Schwarzschild pour une masse finale supérieure à 3 M¤ environ, elle se trouve dans un équilibre instable où la gravitation essaye de vaincre les forces cinétiques qui règnent dans le noyau
Ainsi que nous l’avons entrevu à propos de l’évolution des étoiles, sous l'effet de la gravitation, passé la limite de Landau-Oppenheimer, les forces de répulsion des neutrons deviennent insuffisantes. Cela s'explique facilement avec une petite formule. Lorsqu'une particule est au repos, la force gravitationnelle varie en fonction inverse du carré de la distance. Une fois en mouvement, cette force varie en fonction inverse du cube de la distance. Dès lors, les forces de répulsions du noyau n'ont plus la possibilité de retenir les forces gravitationnelles. Pour équilibrer cette force, les neutrons doivent acquérir une vitesse très proche de celle de la lumière. Mais en vertu de la loi d'équivalence d'Einstein E = mc2, leur masse devient aussi très importante. Cette masse supplémentaire accélère l'effondrement de l'étoile, si bien qu'en cherchant à se maintenir en équilibre, les neutrons accentuent l'effet gravitationnel. La masse du coeur de l’étoile franchissant la limite de Landau-Oppenheimer, l'étoile parvient à se contracter un peu plus et perce le front de résistance des neutrons. Si elle franchit ensuite le rayon de Schwarzschild, sans exploser elle se dérobe au regard des observateurs et constitue ce qu'on appelle un trou noir
En fait la matière continue à s'effondrer à une vitesse supérieure à celle de la lumière mais sous une limite invisible dénommée l'horizon interne des événements qui n’est autre que le rayon de Schwarzschild. L'espace-temps est tellement incurvé sous sa propre densité d'énergie qu'il est réduit à l'échelle de Planck, soit 20 ordres de grandeur en-dessous de la taille du proton ou 10-33 cm ! La matière où ce qu'il en reste se trouve à présent dans un monde qui obéit aux lois encore indomptées de la gravité quantique : la matière subit des accélérations gravitationnelles et des pressions inouïes et en même temps la moindre perturbation, même le déplacement d'un électron engendre des fluctuations quantiques tellement chaotiques et violentes, que même le temps perd sa signification, devenant une composante spatiale qui se déchire en permanence en vertu des lois de la gravité quantique.
En fait, passé la limite de Schwarzschild, les calculs ont démontré que la matière perd ses propriétés car nous ne pouvons plus la modéliser : elle est condensée en une singularité dans son sens mathématique, un point singulier où mathématiciens et physiciens théoriciens butent sur des solutions d'équations qui divergent : la masse d’un trou noir par exemple devient infinie tout comme la courbure de l'espace-temps. Et comme on ne peut appréhender le concept d'infini, nous voilà dans un cul-de-sac ou plutôt dans une singularité ! On essaye bien d'y appliquer les lois de la gravité quantique mais on découvre que les dimensions perdent leur caractère continu et se séparent en intervalles individuels ou quanta. C'est en ce sens que la matière et le temps n'existent plus sous le rayon de Schwarzschild car nos lois ne sont pas capables de décrire cet environnement.
Nous n’irons pas plus loin dans cette description, tout d’abord parce que le sujet est déjà très indigeste pour les spécialistes, mais surtout parce qu’il n’existe pas encore de théorie complète de la gravité quantique; les étagères sont vides ! Nous nous trouvons dans une situation très particulière dans laquelle physiciens et mathématiciens doivent trouver de nouveaux outils de travail en essayant de marier la physique quantique et la relativité générale dans une théorie unifiée des champs. Mais l’avenir est prometteur. La théorie des supercordes et plus généralement la théorie M sera peut-être le concept clé qui résoudra cette énigme.
Comment dès lors peut-on expliquer l'état de cette "matière" ? Si la gravitation exerce à ce point une force infinie sur la matière, elle attire également le rayonnement électromagnétique car il est constitué de photons sensibles aux champs de force. Nous savons aussi que le temps et l’espace dérapent, “warp” comme disent les anglophones, appliquant la théorie de Langevin. En fait, on ne peut pas expliquer l'état de cette matière !
Pour plus de clarté voici le récit de voyage d'un aventurier hypothétique qui vous permettra de mieux saisir tous les aspects paradoxaux de cet astre singulier. Plusieurs films et photographies illustrent sa mission. Nous discuterons ensuite de la description du trou noir, des effets qu’il produit et de son évolution.
Description
Un trou noir est en fait une chose "très simple". Il se caractérise par son champ gravitationnel qui se définit par trois paramètres scalaires indépendants : sa masse, son moment angulaire - lié à sa vitesse de rotation - et pour certains, sa charge électrique globale. Le trou noir ne garde pas le souvenir de ce qu'il ingère, il ignore par exemple les propriétés de cette matière et la chronologie temporelle. Le continuum espace-temps se déchire, et ainsi que nous l’avons dit, les deux entités espace et temps s’individualisent pour former des quanta, rompant le principe de causalité qui nous est si cher.
Le trou noir garde uniquement sa charge électrique et les paramètres scalaires car ceux-ci sont couplés à des champs de longues portées - électromagnétisme et gravitation -, c'est la singularité de Reisser-Nordstrom. L'espace intérieur du trou noir n'existe plus et seule sa surface géométrique garde une réalité, ce que l'on appelle la "membrane" du trou noir (différent du concept de membrane en théorie M).
Ce sont ces paramètres qui déterminent la forme, la dimension et d’autres propriétés du trou noir. Rien n’est donc plus simple qu’un trou noir. Même une toupie a plus de degrés de liberté !
Paradoxalement rien n’est aussi plus complexe qu’un trou noir. A l’image d’une boîte de Pandore qui se ferme sur le temps et l’espace, le fait qu'il nous manque encore des théories pour comprendre ces conditions aux limites, nous sommes incapables d’imaginer aujourd’hui comment se transforme l’espace-temps dans une singularité. Nous verrons un peu plus loin que des processus quantiques apparaissent dans le voisinage d’un trou noir et qu’ils sont capables de déterminer son avenir à très long terme. Ils sont d’une telle importance que les spécialistes tels Igor Novikov, Don Page, Martin Rees, Kip Thorne, John Wheeler ou Stephen Hawking se perdent en conjectures.
Comme l’a écrit le cosmologiste Igor Novikov[5], aujourd’hui au prestigieux Institut de Recherche Nordita du Danemark, "La découverte des trous noirs sera une découverte fondamentale pour la science. Nous serons capables d’étudier les nouvelles lois qui gouvernent les propriétés de l’espace et du temps soumis à des champs gravitationnels intenses, et de nouvelles lois qui dictent le mouvement de la matière dans des conditions extrêmes. On peut dire que les trous noirs représentent un nouveau et très vaste champ d’étude du monde de la physique
En 1976, Hawking fut l'instiguateur d'un nouveau paradoxe. Il calcula qu'une fois le trou noir formé, il commençerait à perdre sa masse en émettant cette "radiation Hawking", mais elle ne contiendrait aucune information sur l'intérieur du trou noir et une fois évaporé, toute l'information serait perdue. Mais ce phénomène violait les lois de la physique quantique qui stipulent qu'une telle information ne disparaît jamais complètement. L'argument de Hawking était de dire que l'intense champ magnétique du trou noir "démêle" les lois de la physique quantique qui perdent leur validité.
D'autres physiciens ont essayé de supprimer ce paradoxe. Samir Mathur de l'Université d'Etat d'Ohio et ses collègues de Columbus démontrèrent que si un trou noir pouvait être modélisé par la théorie des cordes - dans laquelle l'univers est constitué de petits cordes en vibrations plutôt que de particules ponctuelles - dans ces conditions, un trou noir doit être considéré comme un immense enchevêtrement de cordes.
Notons qu'aujourd'hui, dans la théorie des supercordes, un trou noir devient l'intersection de p-branes (membranes à plus de 4D) se croisant dans des dimensions supplémentaires, le rayonnement Hawking correspondant au détachement d'une p-brane sous forme de corde fermée (1-brane).
La radiation Hawking émise par cette "pelotte" contiendrait alors l'information concernant les propriétés internes du trou noir. Bien que cette théorie était et demeure très intéressante dans le cadre des théories des cordes, finalement tout le monde accepta la conjecture paradoxale de Hawking et les choses en restèrent là jusqu'en 2004, faute d'une explication plus rationnelle.
Une semaine avant l'ouverture de la 17eme Conférence sur la Relativité Générale et la Gravitation qui allait se tenir à Dublin le 21 octobre 2004, Hawking informa le physicien Curt Cutler de l'Institut Albert Einstein de Golm en Allemagne et responsable scientifique du comité organisateur qu'il avait "résolu le paradoxe de l'information du trou noir et voulait en parler". Curt Cutler accepta de l'inscrire sur l'agenda et dira par la suite "je n'ai pas lu le preprint du document. Pour être honnête, je me suis basé sur la réputation de Hawking".
Bien que Hawking n'ait pas révélé les détails mathématiques de sa découverte, des détails fragmentaires avaient été communiqués au cours d'un séminaire antérieur qui s'était déroulé à Cambridge. Selon son collègue Gary Gibbons, un expert de la physique des trous noirs présent au séminaire, les trous noirs de Hawking, à l'inverse des trous noirs classiques, n'ont pas d'horizon des événements bien délimité cachant leur intérieur au yeux du monde extérieur. En résumé, son nouveau modèle de trou noir n'est jamais une entité totalement obscure et qui absorbe tout; elle rayonne et finit par livrer l'information qu'elle détenait. "Il est possible dira Gibson, que ce qu'il présenta au cours du séminaire était la solution, mais il aurait dû dire que je jury était une fois encore hors course".
Et de fait, à la conférence d'octobre 2004, Hawking expliqua qu'il s'était trompé, et qu'en fin de compte les trous noirs libéreraient une partie de l'information qu'ils avaient retenu au terme d'une période incommensurablement longue. Son passé comme son avenir étaient donc totalement prédictibles. Finalement, les trous noirs deviennent des entités presque normales.
Par la même occasion, Hawking perdait le pari qu'il avait fait avec le physicien théoricien Kip Thorne du Caltech contre John Preskill. Tous deux prétendaient contre Preskill que "l'information engloutie par un trou noir était à jamais cachée et ne pouvait jamais être révélée". "Etant donné que Stephen a changé son point de vue et croit à présent que les trous noirs ne détruisent pas l'information, je m'attends à ce qu'ils exécutent leur pari" dira Preskill. Le duo devrait à présent offrir à Preskill l'encyclopédie de son choix "dans laquelle l'information pourrait être extraite à volonté".
Voici la transcription de la conférence de presse, ainsi que les réactions des lecteurs sur le forum sci.physics.research.
L'avenir des trous noirs
Serait-il un jour possible de créer des mini trous noirs loin dans l’espace comme l’imagine Novikov[12] ? En vertu de la loi de conservation de l’énergie et de la théorie d'Hawking, puisqu’un trou noir doit perdre progressivement sa masse, il perd également son énergie. Dans un lointain avenir, nos ingénieurs “es trous noirs” trouveront peut-être un moyen pour produire de l’énergie bon marché. En effet, accumulant de l’énergie au cours de leur formation, les mini trous noirs irradieront un spectre de particules à un taux prédit par le niveau d’énergie de chacune d’elle qui est déterminé par la masse du trou noir. Ainsi, un mini trou noir d’un milliard de tonnes émettrait environ 1017 erg/sec durant quelque dix milliards d’années, une aubaine en ces probables périodes de crises d’énergie ! Freeman Dyson de Princeton a d’ailleurs imaginé qu’une civilisation tirant profit de ce mécanisme pourrait survivre dans ce lointain futur glacial. Nous discuterons de cette théorie dans le dossier consacré à la bioastronomie.
Finalement il nous faudra expliquer ce qui se produit lorsque tous les trous noirs s’évaporeront à un point tel que l’approximation semi-classique deviendra invalide. Nous devons en principe appliquer les mécanismes quantiques au champ gravitationnel du trou noir lui-même. Mais personne ne peut résoudre complètement de telles équations aujourd’hui. Il réside donc une incertitude quant à la dernière phase de l’évaporation des trous noirs, ce que nous futurs ingénieurs auront certainement résolue
Plusieurs hypothèses ont été imaginées qui se résument en quelques scénarios :
- les trous noirs arrêteront leur évaporation lorsqu’ils atteindront une masse restante positive
- les trous noirs arrêteront de s’évaporer lorsqu’il ne restera que des particules ayant la masse de Planck (10-5 g)
- ils continueront de s’évaporer jusqu’à ce que leur masse devienne négative
- ils disparaîtront complètement
- ils disparaîtront en formant des singularités nues, limites visibles de l’espace-temps.
Jusqu'à l'annonce de Hawking, le mathématicien et physicien anglais Roger Penrose surnommait le trou noir, "la censure cosmique". A l'instar d'une boîte de Pandore, le trou noir était considéré comme un objet inquiétant et mal connu qu'un censeur suprême nous empêchait d'ouvrir. Hawking ouvre ici une voie de recherches prometteuse.
Einstein parlait de déterminisme à propos des singularités, acceptant volontiers les idées de Laplace ou celles véhiculées par le principe anthropique fort. Cette conclusion philosophique ne satisfait pas les physiciens qui tentent d'unifier la relativité générale et la physique quantique pour expliquer de façon plus commode la structure matérielle et temporelle du trou noir.
Depuis quelques temps, il semblerait, du moins en théorie du champ gravitationnel classique, que sous certaines conditions les singularités soient visibles. Pour cela, l'objet doit avoir une forme allongée, ce qui le forcerait à s'effondrer asymétriquement. Cette découverte étant fondamentale, nous en reparlerons en relativité générale. En ouvrant la boîte de Pandore et en mettant à nu les singularités, espérons que la découverte des ondes gravitationnelles marquera d'une pierre blanche cet événement sans trop bouleverser la physique.
Supergravité, supercorde et théorie M
Ainsi que nous l'avons évoqué antérieurement, les seules théories pouvant prétendre résoudre les difficultés actuelles des deux principales théories cadres de la physique sont la théorie de la supergravité et sa généralisation, la théorie M, qui laissent entrevoir l’unification des interactions fondamentales[13]. Si l’une de ces théories est correcte, il est possible en principe d’expliquer ce qui se passe lorsqu’un trou noir s’évapore. Malheureusement pour notre curiosité, ces théories sont encore peu nombreuses et trop effilochées pour prétendre définir toutes les implications de ce phénomène. Essayons malgré tout de décrire quelques solutions.
En effectuant une étude thermodynamique des modes turbulents des cordes (la façon dont les particules se matérialisent dans la réalité), une analyse aussi complexe que son titre, M.Bowick[14] et ses collègues de l’Université de Yale concluent qu’il est statistiquement probable qu’un trou noir s’évaporant se transformera en corde massive lorsqu’il sera suffisamment petit. Finalement la corde elle-même se désintégrera sous forme de radiation ordinaire, de particules sans masse. Cette théorie permet aux trous noirs de disparaître complètement de la scène cosmique sans laisser de singularité nue, parce que le champ gravitationnel lui-même fait partie du champ de supercorde. Cette conclusion est raisonnable car elle découle rigoureusement des résultats mathématiques.
Avant même de connaître la théorie des supercordes, les physiciens avaient déjà imaginé qu’un trou noir suffisamment petit pouvait se transformer en un spectre de particules massives sans présenter de champ gravitationnel classique conduisant à une singularité nue. Les théories des supercordes nous donnent le moyen de comprendre conceptuellement ce qui se produit, mais comme le dit D.Page, il ne s’agit que d’indices.
Quant à la question de savoir si les théories des supercordes permettent de prédire l’entièreté du phénomène d’évaporation, s’il y a une brisure dans le phénomène par exemple, Bowick admet qu’il ne voit pas très bien comment cette théorie pourrait résoudre ce problème. En fonction des différents modes d’émission des trous noirs il existe un tel nombre de corrélations entre les particules que les méthodes de calculs sont innombrables. Il est trop tôt pour envisager toutes les solutions.
A l'heure actuelle aucune observation ne semble étayer les hypothèses de Stephen Hawking mais il faut reconnaître que nos théories sont encore imprécises et nos outils à peine adaptés à ce type de recherche; nos instruments sont de taille réduite, incapables d'appréhender les énergies des supercordres, ils manquent également de sensibilité et de résolution. Pour corser le tout, certains physiciens ne comprennent pas pourquoi il faut faire appel à des cordes à 10 dimensions pour résoudre des problèmes tridimensionnels qui n'en requièrent a priori pas plus... Tout un débat
Tous les effets gravitationnels que nous venons de décrire semblent paradoxaux parce que nous essayons d'expliquer des processus en-dehors de leur cadre, par le biais de la mécanique de Newton. Or ceux-ci sont provoqués par des champs extrêmement variables et de haute énergie, que seules les lois conguguées de la relativité générale et de la physique quantique peuvent expliquer. Le bouleversement que ces deux théories ont provoqué en physique s'explique aisément devant ces paradoxes, qui font tous références à la mécanique classique. C'est dans ce contexte que la relativité générale révèle le génie d'Einstein qui sut expliquer par la seule force de son intuition les propriétés d'un espace-temps soumis à des champs gravitationnels intenses et/ou variables. Mais le succès n'est pas encore total. Demain, la supergravité et la théorie M vont certainement révolutionner notre manière de penser l'astrophysique
Les trous noirs existent-ils ?
Histoire fantastique, pure spéculation ou phénomène identifié, les observations gamma, radioélectriques et optiques tentent à confirmer que le statut des trous noirs est celui de la réalité. Des trous noirs existeraient au centre des galaxies actives et des amas globulaires compacts. En effet, les trous noirs ne sont pas seulement présents isolément dans l'espace, suite à l'effondrement d’étoiles supermassives. Certains se situent très probablement au centre des radiosources et présentent un volume confiné dans quelques milliards de km (quelques heures-lumières). Leur masse s'échelonne entre une fraction et quelques milliards de masses solaires.
Les propriétés du trou noir permettent d'imaginer un scénario d'évolution pour les galaxies présentant un noyau actif, les fameux AGN. A grande distance de la Terre, dans le noyau d'une galaxie encore calme, une étoile massive (2.5-100 M¤) termine sa vie sous la forme d'un trou noir de quelques kilomètres de diamètre. La concentration de la matière étant très élevée dans le noyau d'une galaxie, une grande quantité de gaz ionisé et de poussières sont rapidement attirés par l'intense champ gravitationnel qui règne dans son voisinage. C'est ainsi que le trou noir grossit démesurément, jusqu'à devenir géant, hypermassif. Au bout de plusieurs millions d'années, sa masse se chiffre en centaines de millions de masses solaires pour une température proche du zéro absolu. Malgré sa masse et sa force gravitationnelle, ses dimensions sont inférieures à un milliard de kilomètres, un peu plus grand que l'orbite de Jupiter, ce qui représente à peine une heure-lumière, une taille infime vis-à-vis des dimensions de la galaxie toute entière. A quelques dizaines d’années-lumières un tel trou noir sous-tendrait un angle de 0.00000001” d’arc ! Il serait réellement invisible, même placé devant une nébuleuse brillante.
Bien que pratiquement aucune énergie ne puisse s'échapper d'un trou noir, drainant la matière ambiante, son environnement proche est entraîné dans un mouvement tourbillonnaire dans lequel le plasma devient lumineux suite à l'agitation électronique. Par transfert du moment angulaire, le trou noir signale sa présence par des émissions électromagnétiques intenses, des jets optiques et radios dirigés et des flash gamma qui signalent la disparition des étoiles. Le coeur de cette galaxie qui au départ brillait normalement est devenu des milliards de fois plus lumineux. Si le trou noir devient hypermassif, il peut porter son influence à plusieurs dizaines d'années-lumières. Observées aux longueurs d'ondes radios, cette galaxie à noyau actif présente deux immenses lobes chauds qui partent du trou noir et s'étendent dans deux directions opposées jusqu'à plusieurs années-lumières. Les trous noirs seraient ainsi à l'origine des phénomènes les plus intenses de l'univers, du rayonnement des quasars aux jets de matière à des vitesses relativistes
A ce propos justement, malgré le fait que Roy Kerr avait prédit en 1963 que les trous noirs étaient en rotation, jusqu'en 2003, aucun scientifique ne pouvait encore affirmer qu'un trou noir tourne réellement sur lui-même. En effet, personne n'en a jamais observé, leur observation étant rendue très difficile. Ce que nous observons en fait, c'est le disque d'accrétion qui entoure le trou noir qui est tout aussi brillant qu'une étoile, tant aux longueurs d'ondes visibles que radios.
Les recherches se sont donc portées sur la matière circulant dans le voisinage immédiat des trous noirs pour essayer d'y détecter un mouvement tourbillonnaire ou d'autres indices allant dans ce sens. Todd Strohmayer de la NASA a ainsi détecté en 2003 l'existence d'un mouvement de rotation dans le rayonnement X émis par les trous noirs.
Les immenses jets qui s'en échappent par les pôles indiquent également qu'ils résulteraient d'un mouvement de rotation qui générerait la force nécessaire à ces émissions gargantuesques. Il ne s'agit bien sûr que d'indices indirects, mais tout le monde croit aujourd'hui que les trous noirs sont en rotation sur eux-mêmes, comme la plupart des étoiles.
Les propriétés des trous noirs pourraient expliquer plusieurs types d’événements :
- Rayonnement X et gamma. Les étoiles les plus proches de l'horizon du trou noir se heurtent à des forces gravitationnelles qui déchirent leur enveloppe, formant un anneau d'accrétion incandescent qui tombe vers lui. La matière fortement perturbée est portée à une température infernale et émet de puissants rayonnements X et gamma. A plusieurs millions de degrés l'énergie potentielle gravitationnelle est convertie en rayonnement. Les abords du trou noir émettent sur un spectre continu que nous pouvons déceler, présentant en ondes radios une brillance si intense qu'aucun masque ne peut la réduire. Au centre de ce spot intense se trouve le minuscule trou noir. L'évaporation des mini-trous noirs devrait également se traduire par des émissions gamma, mais à ce jour aucune observation n'a pu confirmer les prédictions de Hawking.
Emissions X oscillantes. Le disque d’accrétion subit des mouvements turbulents qui créent des oscillations dans le plasma tombant sur le trou noir. Ces flashes ne durent que quelques centièmes à quelques dix millième de seconde. Ces émissions ne ressemblent pas aux émissions pulsées des pulsars.
- Rayonnement synchrotron. Le disque d'accrétion qui se forme autour du trou noir émet un rayonnement intense, d'origine non stellaire et variable, fonction de la quantité de matière qui tombe dans le piège gravitationnel. Ces particules sont sous l'emprise d'un champ magnétique intense qui peut engendrer des vitesses relativistes et des émissions sporadiques polarisées. Ce rayonnement synchrotron ne contribue pas ou peu aux émissions infrarouges qui ne sont pas polarisées.
- Raies d'émissions. Les nuages de gaz qui entourent le trou noir sont ionisés par le rayonnement intense en provenance du disque d'accrétion. Les particules deviennent instables, subissent une intense agitation électronique et des perturbations magnétiques qui produisent des raies larges ou dédoublent les raies fines (effet Zeeman). Lorsque les particules sont relativement stables, loin de la fournaise du trou noir, les raies restent fines. Cet élargissement des raies indique que le plasma est animé de mouvements rapides, entraîné par la zone d'influence du trou noir. Il s'agit d'un effet Doppler d'origine gravitationnel.
- Jets de matière. Le plasma entraîné à grande vitesse vers le trou noir forme un immense disque d'accrétion autour de la singularité. En s'effondrant, une certaine quantité de matière reste confinée dans la région de l'ergosphère. Sous l'emprise d'un intense champ magnétique, cette matière subit un effet accélérateur qui lui donne suffisamment d'énergie pour s'échapper à une vitesse relativiste de la sphère d'influence du trou noir. Etant donné que le disque d'accrétion l'empêche de se dissiper dans le plan du disque, les seules échappatoires sont les régions polaires du trou noir qui éjectent un important flux de matière à grande distance sous forme de jets très directifs composés de condensations brillantes.
- Lobes radios symétriques. Le phénomène de transfert d'énergie s'accompagne de l'éjection de plasma. Excité par la friction électronique dans un milieu raréfié, il est porté à plusieurs millions de degrés. Il est éjecté symétriquement de part et d'autre de l'axe de rotation du trou noir et forme une onde de choc qui perturbe le milieu ambiant, ce que nous captons comme des points chauds d'émissions très intenses à quelques degrés de distanc
Etoiles en mouvements. Les étoiles plus éloignées sont entraînées vers ce gouffre, accélérant leur course jusqu'à acquérir une vitesse de 10000 km/s qui éjecterait n'importe quel autre étoile de sa trajectoire; les étoiles multiples peuvent voir leur compagnon éjecter de la zone d'influence du trou noir avec une vitesse de libération de l'ordre de 1000 à 4000 km/s, traversant la galaxie à des vitesses 100 fois plus élevées que les étoiles ordinaires. Mais leur taille ponctuelle ne permettrait pas de les détecter à partir de la Terre. Elles peuvent toutefois être décelées si elles traversent un environnement plus dense qui permet la formation d'un front de choc. Les modèles prédisent que si de gigantesques trous noirs se situent au centre des galaxies, 200 étoiles super-rapides pourraient ainsi quitter les noyaux galactiques. Si ne fut-ce qu'une seule étoile super-rapide était détectée, ce serait un indice supplémentaire qui confirmerait l'existence des trous noirs au centre des galaxies.
- Rayonnement des quasars. Dans les années '70, les physiciens américains Brandford et Znajeh ont démontré que si on plaçait un trou noir en rotation dans un champ magnétique extérieur, il générait un puissant champ électrique. C’est l’effet dynamo à l'image de celui entretenu par le noyau de la Terre. Dans le voisinage d’un trou noir, le champ magnétique est transporté par le gaz interstellaire qui tombe vers la singularité suite au mouvement d’accrétion. Lorsque ce circuit externe est installé, la dynamo peut produire du courant, elle génère des particules qui se chargent près du trou noir suite à l’interaction du rayonnement avec les particules déjà présentes alentour. Un quasar peut ainsi se former dans le noyau des galaxies actives
c'est pas magnifique ca
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