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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Photon noir

Le CERN reprend ses activités, mais pas avec le LHC, avec le SPS. Bon, d’accord, je vais continuer en français. Le Centre européen pour la recherche nucléaire recommence ses expériences en utilisant le Super Synchrotron à Protons, un accélérateur circulaire plus petit que le fameux Large Hadron Collider utilisé dans la traque du boson de Higgs.

Cette fois-ci, les scientifiques du CERN cherchent des traces du photon noir, une particule hypothétique qui serait responsable d’interactions entre la matière ordinaire et la matière noire. Cette expérience est nommée par le sigle NA64.

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D’après la théorie actuelle, l’Univers serait composé de 15 % de matière telle qu’on la connait et de 85 % de matière dite noire puisqu’elle est invisible, n’interagissant pas avec les photons. Cette fameuse matière noire permet de consolider les galaxies qui, sinon, se disloqueraient tellement leur vitesse de rotation est grande. Mais grâce à ce surplus de masse, elles forment leurs belles spirales sans que leurs étoiles s’éparpillent.

Seules des observations gravitationnelles de ce genre, ainsi que les effets de lentilles gravitationnelles nous laissent croire que la matière noire existe réellement. Toutefois, elle n’est jamais apparue dans les expériences au CERN ou ailleurs. On pense être en mesure de confirmer son existence en s’attaquant à son transmetteur de force qui serait un type de photon différent des grains de lumière que l’on connait, qui n’émet aucune lumière (onde électromagnétique) et qui par conséquent est invisible, de là son qualificatif «noir».

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Tout ceci n’est qu’hypothétique, mais si on ne parvient pas à découvrir ce photon noir et d’y associer une cinquième force, la théorie de l’existence de la matière noire va prendre du plomb dans l’aile. S’ensuivrait une remise en question de la théorie de la gravitation énoncée par Einstein en 1915, sa fameuse relativité générale.

Puisque cette théorie n’a jamais été prise en défaut, dans aucune expérience, soit elle est juste et la matière noire existe réellement, soit la matière noire n’existe pas et la relativité générale est fausse malgré nos résultats expérimentaux actuels qui atteignent des niveaux de précision extrêmes.

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Le questionnement est majeur puisqu’il touche à 85 % du contenu de l’Univers en fait de matière ou à l’avènement d’une théorie de la gravitation interagissant différemment aux petites et aux distances moyennes et grandes, c’est-à-dire de la dimension des galaxies et plus encore.

On a toutes les preuves que nos théories coincent quelque part, pourtant l’Univers a très bien su dissimuler la façon dont il fonctionne. Présumer l’existence du photon noir et de sa matière noire est une tentative théorique qui nous permettrait de nous dépêtrer de ce bourbier dans lequel la physique des particules et de la gravitation est enfoncée depuis plus de 85 ans.

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Oui, déjà en 1933, un astronome du nom de Fritz Zwicky avait présumé de l’existence d’une matière invisible en mesurant la vitesse de rotation des galaxies. Ce dernier s’est mis la communauté des astronomes à dos lorsqu’il les a tous traités de «bâtards, peu importe dans quel sens on les regarde», mais il avait raison puisqu’ils s’étaient alors totalement désintéressés de ses résultats d’observation qui jetaient un très lourd pavé dans leur mare à canards.

Mais eux qui voyaient Zwicky comme leur vilain petit canard ont dû admettre, bien plus tard, malheureusement, qu’il avait parfaitement raison. Un scientifique de plus à rejoindre le plateau de la balance des génies désavoués qui ont osé dire différemment de la majorité, voire de la totalité des gens de leur profession.

Une relativité incomprise

Bon, je veux régler un cas une bonne fois pour toutes. Malheureusement, les fourvoiements ont la vie longue. Certains scientifiques ne comprennent pas la physique relativiste et ils disent de grosses conneries lorsqu’ils sont interviewés.

Je vais donner un exemple qu’ils utilisent souvent. Notre Galaxie, la Voie lactée a un diamètre de près de 100000 années-lumière. Ça signifie que si une source lumineuse est à sa périphérie et qu’on l’observe à partir du point antipodal, les signaux lumineux captés auront été émis voilà 100000 ans. Ça, c’est vrai.

Où ça se gâte, c’est lorsque les personnes interviewées placent des astronautes dans un vaisseau spatial pour leur faire traverser la Galaxie de part en part à une vitesse proche de la lumière. Ils disent alors que ça leur prendra 100000 ans pour faire ce trajet. Ainsi, ils auraient besoin d’un amas de générations de voyageurs avant d’arriver à destination. Mais ce qu’ils disent est totalement faux, et pas qu’un peu.

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Lorsqu’on file à des vitesses proches ou égales à la vitesse de la lumière, ce ne sont plus les lois de la physique classique qui s’appliquent, mais celles de la relativité restreinte mises en évidence par Einstein. En fait, la relativité restreinte s’applique toujours et à tout déplacement, mais puisqu’elle est plus compliquée à calculer que les lois de Galilée, on utilise ces dernières lorsqu’on se meut à la vitesse d’un bœuf.

Que dit alors la relativité restreinte à propos d’un voyageur qui filerait à la vitesse de la lumière (en postulant que c’est possible)? Eh bien! celui-ci traverserait notre Galaxie d’un diamètre mesurant 100000 années-lumière en exactement… zéro seconde. Ne me frappez pas, c’est la faute à la relativité restreinte, pas à moi. Un voyage effectué à la vitesse de la lumière (dans le vide) est instantané, peu importe la distance parcourue. Le voyageur ne vieillit pas d’une seule fraction de seconde.

En revanche, si un deuxième individu attend le voyageur faisant un trajet aller-retour, cet observateur devra effectivement patienter 200000 ans avant de voir réapparaitre le voyageur. C’est ça la « relativité » du temps telle qu’Einstein l’a décrite. Pour le voyageur luminique, son trajet aller-retour d’un rebord à l’autre de la Galaxie n’aurait même pas duré une seconde tandis que pour la personne restée sur ce rebord de la Voie lactée, elle l’aura attendu le temps prévisible, soit 200000 ans.

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Ainsi, tous les scientifiques qui ne respectent pas cette relativité lorsqu’ils considèrent des déplacements dits « relativistes » se gourent et induisent les téléspectateurs en erreur. Un voyageur n’a pas besoin de 100000 ans pour effectuer un voyage de 100000 années-lumière ou 200000 années-lumière, ou n’importe quelle distance s’il se déplace à la vitesse de la lumière. Il fera tous les trajets en exactement 0 seconde.

La théorie de la relativité restreinte découverte par Einstein n’est pas de la science-fiction. Elle est bien réelle, exacte et incontestable puisque prouvée de multiples façons. Je ne vous demande pas de me croire sur parole. Beaucoup des contemporains du génial physicien ont également rejeté sa théorie, la croyant totalement aberrante. Ils avaient tort, tout comme les gens interviewés qui continuent d’appliquer la mécanique de Galilée plutôt que celle d’Einstein même si les vitesses en cause sont de l’ordre de la vitesse de la lumière dans le vide.

Mais il doit bien y avoir une erreur quelque part ! Pas exactement une erreur. On parle ici d’un cas limite. Un voyageur est constitué d’atomes et ces derniers possèdent une masse. Or, pour inculquer à une masse une vitesse égale à celle de la lumière, ça prend une énergie infinie. Un voyageur ne pourra donc jamais atteindre cette vitesse limite, mais il peut s’en rapprocher.

Ainsi, son voyage d’une extrémité à l’autre de notre Galaxie ne durera pas zéro seconde, mais il ne sera pas non plus de 100 000 ans.

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Pour les afficionados des formules, voilà à quoi le temps relatif du voyageur (t’) ressemblera selon le temps sans tenir compte du principe de la relativité (t) et selon sa vitesse (v) par rapport à la vitesse de la lumière (c).

Si la vitesse du voyageur (v) est égale à celle de la lumière (c), alors on obtient la racine carrée de zéro multiplié par t, ce qui donne effectivement zéro seconde.

On voit ainsi que plus le voyageur se rapproche de la vitesse de la lumière, plus le temps s’étire, même si lui continue de vieillir au même rythme.

Photo de A. Einstein : Oren Jack Turner, Princeton, N.J.
Voie lactée : Astrosurf.com

 

La théorie décrivant le mieux ma fille

Après une dizaine d’années d’un travail acharné et ininterrompu, un homme aux pensées non conformistes accouche d’une théorie révolutionnaire. Cent-deux ans plus tard, celle-ci reste toujours d’actualité et n’a même jamais été prise en défaut.

La théorie de la relativité générale est un monument érigé par un seul homme, un effort de pensée hors normes. Mais la théorie d’Einstein censée résumer la façon dont le cosmos fonctionne a supplanté son auteur.

En 1920, Schwartzschild calcule une solution à ses équations qui démontre que les étoiles ont un rayon critique en dessous duquel elles se transforment en trou noir. Einstein en est horrifié et espère que la Nature possède un système de censure lui évitant de générer ces monstres. Il a tort. Puis, on lui prouve que ses équations forcent l’Univers à s’étendre ou à se contracter. Une fois encore, horripilé par ce constat, il modifie ses équations pour les amener à décrire un Univers stationnaire, conforme à sa vision. Malheureusement, l’histoire se répète, de nouveau il se trompe. L’Univers ainsi que ses propres équations refusent obstinément de se comporter comme il le veut. C’est ironique de voir que son monde ne lui a jamais appartenu, ou si peu de temps. Son bébé s’est prestement échappé de son berceau et malgré tous ses efforts pour le ramener à la maison, sa création lui a prouvé qu’on ne possède rien, même pas ses propres idées.

Morale de cette histoire vraie, ne jamais sous-estimer le pouvoir d’une idée. Une fois lancée dans l’univers, elle possède sa vie propre et ses propres amours. Alors, pensez-y avant de diffuser vos réflexions. Elles pourraient vous surprendre et il sera ensuite trop tard pour fuir votre paternité. Il vous restera à prendre un verre de vin en vous disant que vous avez fait votre gros possible, mais que force est de constater qu’elles n’en font qu’à leur tête.

Finalement, la théorie de la relativité générale et ma fille, c’est du pareil au même.

Photo: Ciel & Espace

Du zéro, de la température et des chemins glacés… des prédictions

Zéro est un chiffre et un nombre. Une valeur nulle, mais zéro, ce n’est pas rien. Zéro est important, surtout lorsqu’il est situé dans un nombre composé de chiffres dont leur position relative leur confère une valeur différent du chiffre en soi. L’habitude d’écrire des nombres en base 10 est tellement ancrée qu’on en finit par oublier que dans le nombre 2847, le 4 vaut 40 et le 2 vaut 2 000, car les zéros ne valent pas rien.

Remarquez, le zéro n’apparait pas dans la suite des chiffres romains ? Même si leur base de calcul est également 10, le zéro est tout de même inexistant, et pour cause. À cette époque, les nombres servaient seulement… à compter. Ils comptaient des jours, des soldats, des sesterces, des acres, bref des choses comptabilisables. Lorsqu’ils n’avaient rien à compter, ils ne comptaient pas. Ainsi, puisque le zéro n’avait aucune utilité pratique, les Romains n’ont pas vu l’intérêt de donner une réalité à ce chiffre plutôt particulier.

La valeur zéro revêt une signification bien étonnante lorsqu’on l’utilise pour évaluer une température. Longtemps l’humain s’est demandé ce qu’était vraiment la température. Sachant même la mesurer, il ignorait toutefois ce qu’il mesurait exactement. Puis la température s’est progressivement laissé saisir. Aujourd’hui, on sait exactement ce qu’on mesure lorsqu’on plonge un thermomètre dans un milieu quelconque. On mesure l’agitation des atomes ou des molécules de ce milieu. Plus ils sont mobiles, plus la température est élevée. En revanche, plus ils sont figés, plus on se rapproche du zéro de température. Pas le zéro degré Celsius, mais le zéro kelvin, également appelé le zéro absolu. À zéro kelvin, les briques élémentaires de notre monde ont cessé de s’agiter. Cette température valant -273,15 °C, le zéro kelvin est une limite improbable à atteindre à cause des lois quantiques. Aujourd’hui, le record de froid atteint lors d’expérimentations scientifiques très sophistiquées est 450 pK (picokelvin) ou 0,000 000 000 450 kelvin.

L’unité de température kelvin a été donnée en l’honneur de William Thomson, Lord Kelvin qui en élabora le principe. Pour ceux dont ce physicien reste méconnu, il était l’une des plus importantes figures scientifiques de la fin du XIXe siècle, principalement en thermodynamique. Lors d’un exposé à la Royal Institution de Londres en 1900, il déclara qu’à part deux petits nuages, la physique arrivait au bout de son parcours. Ces deux nuages devinrent quelques années plus tard la physique relativiste et la physique quantique, les deux pans fondamentaux de la physique actuelle. Comme quoi, on a beau avoir inventé le zéro absolu, il est fort possible d’obtenir une note de zéro lorsqu’on s’attaque à faire des prédictions, même dans son propre champ d’expertise, y compris pour le plus grand spécialiste de son domaine.

Nous devons à tout prix garder une attitude suspicieuse lorsqu’une sommité veut nous éblouir avec des prédictions basées sur des faits et des calculs indéniables. Malgré que ces huiles puissent être admirables, ils deviennent faillibles comme nous tous lorsque, imbus, les impudents s’aventurent imprudemment sur les chemins glacés des prédictions.

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