Verra-t-on un trou noir en 2018 ? (2)

Cet article fait suite à celui d’hier.

En résumé, un trou noir, c’est un point de l’espace infiniment petit et dans lequel la matière entassée dedans est devenue infiniment dense. Alors pour voir un point infiniment petit… noir… et très éloigné, on peut se demander si les astronomes ne sont pas tombés sur la tête !

Je vais donc introduire un autre concept qu’il faut connaitre provenant de cet hirsute personnage, mais un peu plus génial que moi, Albert Einstein. Il y a 103 ans, sa théorie de la relativité générale nous apprenait que l’espace-temps se déforme lorsqu’il y a de la matière. Et plus cette matière est dense, plus l’espace se déforme.

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L’image classique est celle du trampoline avec une boule de quilles au centre. Remplacez la boule de quilles par une boule d’or, puis par une boule d’uranium, plus la matière est massive, plus le trampoline s’enfonce autour de l’objet. Placez-y maintenant un trou noir, le trampoline se déforme tellement que sa trame devient un puits sans fond. Ainsi, autour d’un trou noir, la trame d’espace-temps se creuse à l’infini.

 

Ce puits attire donc les objets environnants, mais également tout ce qui s’en approche trop, lumière incluse. Ce n’est pas le trou noir qui attire la lumière, c’est l’espace qui a pris la forme d’un entonnoir. La lumière ne fait que suivre la géométrie de cet espace qui plonge sans fin. On dit qu’elle suit la géodésique de l’espace-temps.

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Si la lumière passe trop près, sa géodésique va l’amener inexorablement dans le puits. Si la lumière passe plus loin, l’espace-temps n’est pas suffisant déformé pour que la géodésique l’amène dans le puits. On comprend donc qu’il y a une limite entre le « juste un peu trop près, je tombe » et le « juste assez loin, je m’en sors ».

Sous cette limite, la lumière est piégée par le puits spatiotemporel. Au-delà, elle parvient à poursuivre sa trajectoire. Puisque le puits gravitationnel est tridimensionnel (sa déformation se crée dans les 3 dimensions d’espace), la limite est également tridimensionnelle. Elle prend donc l’apparence d’une sphère. Et puisque toute lumière passant sous cette limite est irrémédiablement piégée dans le puits, cette sphère ne peut émettre aucune lumière. Elle est donc parfaitement noire. On a l’impression que le trou noir a une bonne dimension puisqu’on voit une grosse sphère noire. Cependant, le trou noir reste un point infinitésimalement petit. La sphère noire autour du trou noir est simplement un effet créé par le trou noir, ce n’est pas le trou noir. Cet effet visuel ne contient rien, ni matière, ni lumière, sauf en son point central infiniment petit. Cependant, on a l’impression de voir le trou noir.

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La surface de cette sphère parfaitement noire se nomme l’horizon des événements du trou noir. Plus le trou noir sera massif, plus cet horizon gonflera, puisque l’espace déformé s’agrandit de plus en plus. On a l’impression de voir le trou noir grossir. C’est toujours l’horizon des événements qui grossit, pas le trou noir qui reste toujours, peu importe la masse engloutie, un point infiniment petit.

Donc, mon titre est un peu racoleur puisqu’on ne peut voir que l’horizon des événements d’un trou noir, pas le trou noir comme tel.

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Toutefois, les astronomes eux-mêmes parlent de voir un trou noir. Vous pourrez donc corriger leur abus de langage la prochaine fois que vous croiserez un astronome au supermarché. « Tut, tut, tut ! horizon des événements mon ti-noir ! Tu ne me passeras pas un horizon pour un trou ! »

Bon, maintenant on sait qu’on peut admirer l’effet d’un trou noir sur l’espace qui l’entoure, ça ressemble à une sphère toute noire, ça s’appelle un horizon des événements, ça peut donc s’observer.

Demain, on verra comment s’y prendre pour voir des horizons des événements qui sont passablement petits. Et les trous noirs supermassifs alors ? On aurait probablement plus de chance avec ceux-là.

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Verra-t-on un trou noir en 2018 ? (1)

Est-ce que nous pourrons voir un trou noir très bientôt ?

Évidemment, la question aurait de quoi faire rire. Puisque le fond du cosmos est noir, regarder un trou noir sur un fond noir, c’est comme observer un corbeau dans un placard. Pourtant, il est possible de voir ce à quoi un trou noir ressemble en regardant ses effets sur son environnement.

Afin de répondre à la question initiale, j’aurai besoin d’expliquer succinctement différents concepts que je distribuerai dans des articles distincts.

Le premier article sera donc consacré à rappeler comment se forme un trou noir afin de comprendre sa nature.

Une étoile est un délicat équilibre entre deux forces antagonistes. Tout d’abord, une étoile, c’est une bombe nucléaire. La pression engendrée par la fusion nucléaire tend donc à disperser les constituants de l’étoile comme le fait n’importe quelle bombe nucléaire. Toutefois, puisqu’une étoile est aussi un agrégat important de matière, la gravitation retient la matière éjectable en la concentrant au centre de l’astre, ce qui maintient l’étoile en une sphère plutôt stable.

Une étoile est donc une sorte de balance à ressort qui retient le poids déposé sur son plateau en le repoussant jusqu’à un équilibre entre les deux.

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Formation d’une étoile à neutrons

Cependant, le carburant nucléaire venant en fin de compte à manquer — et cela arrive d’autant plus rapidement que l’étoile est obèse — la pression des explosions nucléaires ne suffit plus à contrebalancer la force gravitationnelle qui comprime l’étoile. De ce combat singulier perdu d’avance, l’étoile finira par imploser sous son propre poids. Si elle possède suffisamment de matière, l’implosion réussira à vaincre les autres forces répulsives possibles dans la matière. Les électrons deviendront incapables de se repousser mutuellement (principe d’exclusion de Pauli) et finiront par s’écraser sur les noyaux des atomes. Ce faisant, les électrons fusionneront avec les protons du noyau pour former des neutrons. On obtient ainsi une étoile d’une densité extrême dont son cœur est entièrement composé de neutrons. Tous ces neutrons sont comprimés dans une sphère de 20 à 40 km de diamètre pour l’équivalent en poids d’une étoile de 1,4 à 3,2 fois la masse de notre Soleil. C’est dire comment la densité de la matière est importante ! Mais une étoile à neutrons n’est pas encore un trou noir.

Trop de matière pour résister

Si l’étoile à neutrons possède une masse supérieure à 3,2 fois celle de notre Soleil, ces particules neutres formant une espèce de noyau atomique géant seront elles aussi incapables de résister à la force gravitationnelle. Les quarks composant les neutrons atteindront leur limite de résistance et flancheront à leur tour.

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Formation d’un trou noir stellaire

À cette étape, il n’existe plus aucun autre mécanisme pouvant résister à la force gravitationnelle. La matière atteint alors sa limite d’existence et s’écrase en se concentrant un point infiniment petit. Le résultat est une singularité des équations de la relativité générale d’Einstein. Un point infiniment petit concentrant une masse de densité infiniment grande. Un trou noir est né.

Ouais, la physique n’aime pas trop les infinis et ces deux infinis du trou noir signifient qu’on a un « trou » dans notre théorie. Un trou noir de connaissances liées aux trous noirs qu’on ne parvient pas à éclaircir. Ironique, n’est-ce pas ? Cette formation des trous noirs se rapporte aux trous noirs d’origine stellaire, c’est-à-dire qu’une étoile est à l’origine du trou noir. Il atteint des masses maximales aux alentours de 14 fois celle de notre Soleil.

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Trou noir galactique (supermassif)

Il existe aussi des trous noirs galactiques. Ce sont des trous noirs tapis au cœur de la plupart des galaxies. Leur origine est controversée, mais il est certain qu’ils ont cru en avalant de la matière environnante et par coalescence avec d’autres trous noirs. Le record est détenu par le trou noir supermassif de la galaxie NGC 4889 qui aurait un petit 21 milliards de fois la masse de notre soleil !

La Voie lactée, notre Galaxie, cache également un trou noir supermassif en son sein. Il deviendra important pour la suite de cet article. Toutefois, sa dimension reste modeste. Il a la taille plutôt fine à comparer à bien d’autres trous noirs en ne pesant que 4 millions de fois la masse de notre Soleil !

Dans le prochain article, j’expliquerai simplement ce qu’on appelle l’horizon des événements d’un trou noir. Cette notion est essentielle pour comprendre comment on peut observer un trou noir.

Je vous donne rendez-vous demain pour la suite de ce passionnant feuilleton et vous encourage entretemps à poser vos questions sous forme de commentaire.

À bientôt.

Nouvelle tentative ratée de prendre Einstein en défaut

La théorie de la relativité générale d’Einstein élaborée entre 1907 et 1915 est considérée comme étant la plus importante contribution d’un seul homme à la physique. Il reçut toutefois de l’aide de deux mathématiciens qui lui permirent de compléter son œuvre, Marcel Grossmann et David Hilbert. Cette théorie complexe nous présente un modèle sur la façon dont les objets déforment l’espace-temps pour, en contrepartie, faire bouger ces mêmes objets. Depuis, sa théorie tient bon contre tous les assauts, y compris les plus récents et les plus raffinés, dont l’expérience Microscope. Cette récente tentative cherche à prendre en défaut le postulat qu’a utilisé Einstein pour élaborer sa fameuse théorie.

Un postulat est une affirmation non démontrée servant de point de départ à l’élaboration d’une théorie. Dans le cas de la relativité générale, Einstein a postulé un principe d’équivalence entre lois physiques dans un référentiel tombant en chute libre dans un champ de gravitation et les lois physiques dans un référentiel inertiel.

On connait mieux la formulation suivante. Deux corps, quels qu’ils soient, tomberont de façon identique dans un même champ gravitationnel, peu importe leur masse ou leur densité.

L’expérience du satellite Microscope «Micro Satellite à traînée Compensée pour l’Observation du Principe d’Équivalence» consiste en deux cylindres imbriqués l’un dans l’autre faits de métaux différents, donc de densité différente. Si les deux cylindres tombent de façon identique dans le champ de gravitation, on ne constatera aucun changement dans leurs positions respectives. Dans le cas contraire, ils se déplaceront l’un par rapport à l’autre et le principe d’équivalence sera violé, mettant à mal la relativité générale, ce qui ouvrira la voie à établir une nouvelle théorie de la gravitation.

Pourquoi cette énième expérience sur le même sujet alors que toutes les précédentes se sont soldées par une confirmation du principe d’équivalence?

Tout d’abord, pour affiner les mesures puisque Microscope est cent fois plus sensible que les précédentes expériences. Une différence pourrait alors être perçue par des accéléromètres là où elle aurait échappé aux expérimentations moins précises.

L’autre raison est encore plus fondamentale. Les deux piliers de la physique actuelle se détestent mutuellement. La chromodynamique quantique et la relativité générale semblent décrire deux univers différents alors qu’elles font partie d’un seul et même monde, le nôtre. Pourquoi le comportement de la matière se modifie-t-il si drastiquement aux très petites et aux très grandes échelles, demeure un mystère total et très dérangeant.

Pourtant, les deux théories résistent jusqu’à présent aux multiples tentatives de plus en plus raffinées visant à prendre en défaut l’une ou l’autre, sinon les deux. La dichotomie actuellement observée agace, frustre et embête les physiciens qui n’y voient qu’un moyen de progresser vers une vérité cachée sous-jacente. Mais les deux édifices théoriques tiennent bon, malgré l’inventivité des expérimentateurs. Par exemple, le satellite Microscope a permis jusqu’à présent de vérifier le principe d’équivalence jusqu’à une sensibilité de 2 x 10-14 (0,00000000000002) et on espère améliorer cette sensibilité d’un facteur 20 d’ici peu (1 x 10-15).

Même si le principe d’équivalence reste toujours valide, cette expérience permettra d’éliminer d’autres théories concurrentes. Si, par contre, des différences commencent à apparaitre, la théorie des cordes (actuellement repoussée dans les cordes du ring) pourrait prendre du gallon puisqu’elle prédit une différence très faible entre la masse inerte (inertielle) et la masse grave (en champ de gravité).

Il est important de comprendre que toutes les théories ne sont qu’une modélisation de notre Univers et non une représentation exacte de ce qu’il est. Les nouvelles théories émanent des ambiguïtés des précédentes. Il n’est pas dit qu’un jour nous ayons réponse à tout à partir d’une seule théorie unifiée. Par contre, notre compréhension actuelle du comportement de notre monde ne nous satisfait aucunement, malgré notre capacité de prédiction permise soit par la relativité soit par la chromodynamique quantique. C’est comme demander à papa de nous répondre lorsqu’il est question de sujets d’ordre cosmique et à maman lorsqu’on discute d’atomes et de ses constituants. On rêve du jour où nos parents règleront leurs différents une fois pour toutes. Cela pourrait s’avérer impossible, mais jusqu’à présent, on a toujours réussi à trouver un terrain d’entente. C’est seulement lorsqu’on affine le sujet de conversation que de nouvelles différences apparaissent. Cette divergence actuelle résiste aux assauts de millions de théoriciens et expérimentateurs depuis près d’un siècle. Jamais nos efforts n’ont été aussi nombreux et perfectionnés dans le but de faire mentir la gravitation ou son adversaire composé des forces nucléaires faible et forte ainsi que de la force électromagnétique.

La schizophrénie dont est atteint le monde de la physique finira, espérons-le, à être un jour guérie. Pour ce faire, d’autres expériences devront être effectuées avec des moyens toujours plus ingénieux afin d’atteindre des degrés de précision inégalés.

Photo : europe1.fr