Voici pourquoi les trous noirs sont les objets les plus fascinants de l’univers

Voici pourquoi les trous noirs sont les objets les plus fascinants de l’univers

Parmi les objets célestes les plus mystérieux de notre Univers, il y en a peu qui fascinent autant les scientifiques et les astronomes amateurs que les trous noirs. Il y a encore beaucoup de choses que l’on ne sait pas à leur propos et ce que l’on connaît déjà est à la fois bizarre et captivant.

Le concept des trous noirs est né il y a bien plus longtemps qu’on ne le pense, même si ce nom n’est finalement apparu que plusieurs siècles après. Le concept apparaît d’abord avec Isaac Newton et sa théorie de la gravitation universelle. L’idée a alors fait son chemin jusqu’à ce que la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein donne plus de corps à ce concept.

En 1967 enfin, le physicien américain John Wheeler invente le terme de « trou noir » pour désigner des objets célestes qui consistent en une concentration d’énergie et de masse qui s’est effondrée sur elle-même au point d’être tellement compacte, tellement dense, que même la lumière ne pourrait échapper à sa force gravitationnelle. Faisant que ce phénomène particulier serait totalement noir vu par des humains.

Animation d’un trou noir © YouTube / Science in a Nutshell

L’EFFONDREMENT DES ÉTOILES

Les étoiles sont des corps célestes absolument massifs (certaines font plusieurs millions de fois la taille de notre Soleil) principalement constitués d’atomes d’hydrogène. Les étoiles naissent à la suite de l’effondrement d’énormes nuages de gaz. Ceux-ci, sous l’effet de leur propre gravité s’effondrent et se concentrent pour faire naître les étoiles.

La densité et le diamètre des étoiles font que le noyau de celles-ci atteint des températures inimaginables pour le commun des mortels (plusieurs millions de degrés) qui leur permettent d’engager un processus de fusion nucléaire. Avec ce processus, les atomes d’hydrogène contenus dans les étoiles sont alors transformés en atomes d’hélium et libèrent une quantité d’énergie phénoménale sous forme de radiations et d’énergie lumineuse.

Animation du processus de fusion nucléaire transformant atomes d’hydrogène en atomes d’hélium © YouTube / Science in a Nutshell

Ces radiations viennent ensuite s’opposer à la gravité et jouent un rôle primordial dans l’équilibre entre ces deux forces qui permettent aux étoiles de garder leur intégrité. Ainsi, tant que le processus de fusion nucléaire est toujours en cours dans le noyau d’une étoile, celle-ci continue à produire de l’énergie et à rester stable.

Animation de l’équilibre entre les radiations nucléaires d’une étoile et la gravité © YouTube / Science in a Nutshell

Mais cela s’applique surtout aux étoiles relativement petites, comme notre Soleil. Pour des étoiles beaucoup plus massives, la température et la pression contenues dans le noyau permet à la fusion nucléaire qui s’y produit de fusionner des éléments plus lourds : carbone, néon et oxygène. Jusqu’au fer. Or, contrairement aux éléments venus avant lui, le fer ne produit aucune énergie lorsqu’il est soumis à la fusion nucléaire. Le fer s’accumule dans le noyau de l’étoile et perturbe l’équilibre entre l’énergie produite par l’étoile et la gravité, cette dernière prenant le dessus.

Les différents éléments que peut produire une étoile © YouTube / Science in a Nutshell

Ainsi, le noyau s’effondre. L’étoile elle-même suit et implose. Tout cela ne prend que quelques fractions de secondes, à la vitesse d’un quart de la vitesse de la lumière (environ 74 948 114 mètre par seconde). De plus en plus de masse s’accumule dans le noyau. C’est également à ce moment précis que tous les éléments les plus lourds de l’Univers (mercure, or, uranium, iridium) sont créés.

A la fin de ces quelques millionièmes de seconde, l’étoile meurt et explose, devenant une supernova. En résultent alors deux cas de figure : soit l’ancienne étoile devient une étoile à neutron, soit elle devient ce qu’on appelle communément un trou noir.

Visualisation de ce que donnerait un trou noir à la place du Soleil © YouTube / Science in a Nutshell

HORIZON DES ÉVÉNEMENTS ET SINGULARITÉ

Commençons d’abord par écarter un faux cliché concernant les trous noirs : ceux-ci n’agissent pas comme une sorte d’aspirateur spatial qui aspirerait tout sur son passage. Par exemple, si l’on remplaçait le Soleil par un trou noir, cela ne changerait rien à l’orbite des planète. En revanche, la vie sur Terre serait impossible étant donné qu’il n’y aurait plus la chaleur de l’étoile, mais c’est un autre problème.

LES TROUS NOIRS N’AGISSENT PAS COMME UNE SORTE D’ASPIRATEUR SPATIAL QUI ASPIRERAIT TOUT SUR SON PASSAGE.

L’autre chose que l’on a parfois tendance à confondre est le fait que si on observe un trou noir directement, ce qui est déjà difficile en soi, on ne verrait pas le trou noir lui-même mais l’horizon des événements. Ce terme représente la partie du trou noir à partir de laquelle la vitesse de libération (c’est-à-dire la vitesse qu’il faudrait à un objet ou aux particules élémentaires pour échapper à la force de gravité produite par le trou noir) est égale à la vitesse de propagation de la lumière dans le vide… Ce qui signifie concrètement que pour échapper à un trou noir, il faudrait pouvoir atteindre une vitesse supérieure à celle-ci (exactement 299 792 458 mètre par seconde) pour échapper à un trou noir. Or, on sait depuis Einstein que rien ne peut aller plus vite que la vitesse de la lumière dans le vide. En clair, rien ne peut échapper à la force d’attraction d’un trou noir.

Illustration de la force gravitationnelle d’un trou noir © YouTube / Science in a Nutshell

L’autre face d’un trou noir est donc ce qu’on appelle la singularité. Le fait est qu’on ne sait pratiquement rien à son sujet, car pour avoir plus que de simples indices, il faudrait traverser l’horizon des événements et entrer dans la singularité. Ce n’est techniquement pas impossible mais, comme nous allons le voir plus tard, personne ne survivrait au voyage.

CERTAINS ENVISAGENT QU’UN TROU NOIR POURRAIT ÊTRE UN TUNNEL VERS UNE DIMENSION PARALLÈLE.

La communauté scientifique a donc proposé des hypothèses sur ce qui pourrait constituer la singularité gravitationnelle d’un trou noir. Ainsi, elle pourrait être d’une densité infinie, ce qui signifierait que l’intégralité de la masse du trou noir serait concentré dans un seul point de l’espace mais celui-ci n’aurait ni surface ni volume. Mais là encore, rien n’est sûr : personne ne sait en quoi consiste réellement la singularité d’un trou noir.

Certains envisagent par exemple qu’un trou noir pourrait être un tunnel vers une dimension parallèle, où les lois de la physique telles que nous les connaissons n’existent pas.

SPAGHETTIFICATION

Alors que se passerait-il si l’on tombait dans un trou noir ? Tout d’abord, il faut savoir que la perception est différente autour de ces objets célestes. Le phénomène est d’ailleurs très bien décrit et utilisé dans le film Interstellar de Christopher Nolan. Par exemple, pour quelqu’un qui voit tomber un objet ou une personne dans un trou noir, cet objet aura l’air de ralentir à mesure qu’il s’approchera de l’horizon, puis à un moment aura l’air d’être complètement figé dans le temps avant de lentement devenir rouge et enfin de disparaître.

Illustration d’une distorsion temporelle près d’un trou noir © YouTube / Science in a Nutshell

En revanche, si l’on prend la perspective de celui qui tombe dans le trou noir, le passage du temps est totalement différent. La personne en question aura alors l’impression de voir les événements de l’Univers se passer en accéléré, presque comme si l’on pouvait voir dans le futur.

Cependant, il n’y a au final qu’une seule issue possible à une chute dans un trou noir : la mort. Là encore, on ne sait pas très bien ce qui pourrait arriver mais les chercheurs ont deux hypothèses principales qui peuvent se résumer simplement entre une mort rapide et une mort très rapide.

La mort rapide : Un trou noir déforme tellement l’espace que, une fois que l’on a traversé l’horizon des événements, il n’y aurait plus qu’une seule direction possible à parcourir, littéralement. Dans sa vidéo, la chaîne In A Nutshell explique cela comme étant enfermé dans une ruelle très étroite qui se refermerait derrière nous à mesure que l’on ferait un pas en avant.

La masse d’un trou noir est tellement concentrée dans un tout petit point de l’espace que différents endroits du corps, même séparés par seulement quelques centimètres, subiraient une force de gravité complètement différente. Les cellules du corps se feraient déchiqueter par ces différentes forces de gravité à mesure que le corps s’étire… Jusqu’à devenir « un courant de plasma chaud aussi grand qu’un atome » .

Illustration de l’effet de nouilles sur un être vivant © YouTube / Science in a Nutshell

Ce phénomène est également connu sous le nom de spaghettification (ou effet de nouilles), en référence à l’étirement de la matière. Si le terme est apparu plus tôt, le célèbre physicien Steven Hawking fait référence à ce terme dans son livre Une brève histoire du temps pour expliquer l’effet des forces de marées à l’œuvre dans un trou noir. Il y décrit le vol (fictif) d’un astronaute qui, en traversant l’horizon d’un trou noir serait « étiré comme des spaghettis » par la différence de gravité exercée sur les parties du corps.

La mort très rapide : Quelques instants après avoir traversé l’horizon du trou noir, l’objet ou la personne étant tombé dedans rencontrerait un mur de feu (littéralement) et serait annihilé en quelques secondes. Le moment de la mort semble également dépendre de la masse du trou noir. Les plus petits trous noirs nous tueraient en un instant avant même d’avoir atteint l’horizon des événements. En revanche, il serait possible de rester vivant et de naviguer à l’intérieur d’un trou noir supermassif relativement longtemps avant de mourir.

Illustration du « mur de feu » © YouTube / Science in a Nutshell

SUPERMASSIVE BLACK HOLE

Comme les étoiles, les trous noirs peuvent avoir différentes tailles. Par exemple, il existe des trous noirs de la taille d’un astéroïde moyen mais dont la masse est plusieurs fois celle de notre Soleil.

Illustration d’un trou noir supermassif © YouTube / Science in a Nutshell

IL N’Y A AU FINAL QU’UNE SEULE ISSUE POSSIBLE À UNE CHUTE DANS UN TROU NOIR : LA MORT.

Parmi tous ces trous noirs de tailles et densités différentes, il y a une autre catégorie, celle des trous noirs supermassifs. On en trouve un au centre de chacune des galaxies de l’Univers. Oui, même la nôtre, la Voie Lactée. On estime qu’ils existent depuis plusieurs milliards d’années et le plus gros jamais observé à ce jour a été baptisé S5 0014+81 et possède une masse égale à quarante milliards de fois celle du Soleil. Sa taille est également impressionnante puisque son diamètre mesure 236,7 milliards de kilomètres… Ce qui représente environ 47 fois la distance entre le Soleil et Pluton. Cela représente 1 600 unités astronomiques, sachant qu’une unité astronomique représente la distance Terre-Soleil (150 millions de kilomètres).

En outre, S5 0014+81 serait apparu seulement 1,6 milliards d’années après le Big Bang, ce qui tend à montrer que les trous noirs supermassifs sont apparus très tôt après la naissance de notre Univers.

LE RAYONNEMENT DE HAWKING

Les trous noirs ont beau nous paraître impénétrables et intouchables, eux aussi ne survivront pas à l’épreuve du temps. En effet, les trous noirs perdent une infime partie de leur énergie chaque seconde qui passe, comme s’il s’agissait d’une mare d’eau qui s’évaporerait.

Ce phénomène a été découvert et prouvé par le physicien Stephen Hawking (dont nous avons déjà parlé plus haut) et qui a donné son nom à ce qu’on appelle désormais le rayonnement de Hawking, ou Hawking radiation en anglais. De quoi s’agit-il alors ?
Lorsque l’on évoque le vide intersidéral, ce n’est pas exactement vrai : l’espace n’est pas vide. Des milliers de d’infimes particules « virtuelles » s’y trouvent. Certaines y apparaissent d’un coup puis s’annihilent entre elles.

Le rayonnement de Hawking © YouTube / Science in a Nutshell

Lorsque ce phénomène se produit au bord de l’horizon d’un trou noir, l’une de ces particules virtuelles est absorbée par le trou noir tandis que l’autre réussit à s’en échapper et devient une « véritable » particule, que l’on peut ensuite détecter avec des instruments de mesure. C’est une preuve que le trou noir perd de son énergie.

LA DISPARITION D’UN TROU NOIR PENDRAIT JUSQU’À
10100 ANS.

C’est un phénomène très lent au départ mais qui s’accélère à mesure que la taille du trou noir se réduit. Selon In A Nutshell, lorsqu’un trou noir atteint la masse d’un gros astéroïde, il irradie à environ 20 degrés Celsius. Lorsque celui-ci atteint la masse d’une montagne, il irradie à quasiment la même température que le Soleil (6 000 degrés Celsius). Enfin, lors des dernières secondes de sa vie, le trou noir irradie une énergie égale à l’explosion de plusieurs millions de bombes nucléaires. Et provoque lui-même une explosion titanesque.

Ce processus est néanmoins incroyablement lent et la disparition d’un trou noir pourrait prendre jusqu’à 10100 ans. Une durée si longue que personne ne pourrait un jour être témoin de la mort d’un trou noir, l’Univers étant devenu complètement inhabitable à ce moment-là.

Un trou noir © YouTube / Science in a Nutshell

LES TROUS NOIRS POURRAIENT SUPPRIMER L’UNIVERS ?

Les trous noirs font donc partie des phénomènes les plus puissants de l’Univers : ils peuvent annihiler de simples étoiles qui seraient tombées sous le joug de leur force gravitationnelle. Mais ce n’est pas tout. Pour certains, les trous noirs seraient également capables de « supprimer » l’information.

Depuis que le rayonnement de Hawking a été découvert, on sait que les trous noirs ne sont pas éternels. Or qu’advient-il de l’information qui a été absorbée par le trou noir ? Il est en effet impossible que l’information absorbée par un trou noir puisse être codée dans les radiations que celui-ci laisse échapper.

Quand on parle d’information, on parle en fait de choses qui ne sont pas tangibles. Dans la communauté scientifique, il est admis que l’information évoque en réalité une des propriétés de l’arrangement des particules qui composent la matière.
Prenons un groupe d’atomes de carbone. S’ils sont arrangés d’une certaine façon, cela donne du charbon. S’ils sont arrangés encore d’une autre manière, cela donne un diamant. Les atomes sont pourtant les mêmes. Ce qui change dans ces situations est l’information.

Les briques élémentaires qui composent le charbon et le diamant sont les mêmes © YouTube / Science in a Nutshell

Ce qu’on appelle les « briques fondamentales » de tout ce qui se trouve dans l’Univers observable sont les mêmes partout et ça ne fait aucune différence que les atomes composent un être humain, un poisson ou même une chaise. Mais sans information, l’Univers serait identique à chaque point de l’espace.

Si l’on croit les théories de la mécanique quantique, l’information est indestructible. La forme peut changer mais rien n’est jamais perdu : si l’on brûle un morceau de papier, le papier devient cendre. Comme l’avait énoncé Antoine Lavoisier en 1777 : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme« . En théorie, il serait possible, en récupérant précieusement tous les atomes de fumée et de cendre dégagés par le fait de brûler un morceau de papier, de reconstruire ce morceau de papier comme s’il était neuf. En théorie bien sûr. Mais cela indique bien que l’information est toujours présente.

« RIEN NE SE PERD, RIEN NE SE CRÉE, TOUT SE TRANSFORME » – ANTOINE LAVOISIER

L’information nous permet de distinguer une chose d’une autre et permet aux scientifiques de déterminer ce que pouvait être telle chose avant sa destruction ou sa transformation. C’est l’inverse qui se produit dans un trou noir : ceux-ci accumulent l’information qu’ils tiennent prisonnier dans la singularité et la rendent homogène. On peut résumer cela en disant qu’ils détruisent l’information. C’est ce qu’on appelle le paradoxe de l’information.

Ce dernier possède plusieurs solutions postulées par les scientifiques, toutes possédant des avantages mais aussi des inconvénients qui les rendent soit impossibles à vérifier soit inconcevables tant que les théories scientifiques qui fonctionnent parfaitement jusqu’à maintenant continuent de fonctionner.

© YouTube / Science in a Nutshell

Une première possibilité est que l’information est irrémédiablement perdue. Et justement, d’un point de vue de lois de physique quantique, cela est impossible. Cela pourrait forcer la communauté scientifique à revoir toutes les théories connues et par la même à remodeler totalement notre compréhension de l’Univers.

Une deuxième possibilité voudrait que l’information, qui à priori ne peut échapper un trou noir via le rayonnement de Hawking, pourrait finalement s’échapper lors des tout derniers moments de l’évaporation du trou noir. Une autre possibilité serait que l’information soit finalement stockée dans des « restes » de tailles différentes, et notamment dans un « bébé univers » . Ce petit univers se séparerait du nôtre via le trou noir et entreposerait l’information que le précédent trou noir accumulait. Dans ce cas, l’information serait sauvegardée mais il serait impossible d’y avoir accès

MÊME LES PLUS PETITS TROUS NOIRS PEUVENT STOCKER PLUS D’INFORMATION QUE L’HUMANITÉ N’EN A PRODUITE DEPUIS SON EXISTENCE.

Il se trouve également que la surface d’un trou noir, l’horizon, s’accroît à mesure que de l’information y tombe. On pourrait assimiler cela à un puits sans fond ou encore à une pièce qui s’agrandirait d’elle-même à mesure que l’on y ajouterait des choses à stocker alors qu’il n’y avait plus aucun espace libre. Plus il y a d’information, plus il y a de surface pour la stocker. Les plus petits trous noirs peuvent par ailleurs stocker plus d’information que l’humanité n’en a produite depuis son existence.

Le processus de stockage de l’information par un trou noir peut d’ailleurs être assimilé au passage d’un livre réel en papier à un livre numérique disponible sur une liseuse : les deux contiennent la même chose mais c’est la façon le texte est encodé et mémorisé qui diffère. Les trous noirs qui avalent des galaxies, étoiles et planètes entières reproduisent un peu ce processus : les astres sont convertis en information pure et sont stockés dans l’horizon des événements.

UN UNIVERS HOLOGRAPHIQUE

A cette possibilité s’en ajoute alors une autre : celle qui voudrait que l’Univers soit un hologramme. Si l’information est réellement stockée aux limites d’un trou noir, alors les particules qui constituent le rayonnement de Hawking pourraient être en mesure d’être porteuses de ces informations. Partant de là, les données de l’Univers ne seraient pas perdues lors de l’évaporation des trous noirs. Plus besoin de réinventer la physique, tout fonctionnerait comme nous pensons que le monde fonctionne actuellement. Le paradoxe de l’information est résolu.

Il y a cependant un autre problème : si tout ce qui tombe dans un trou noir est stocké dans son horizon des événements, cela veut dire que de la matière tri-dimensionnelle est stockée sur une surface plate en deux dimensions. Ce qui consisterait en un hologramme.

Réalité ou hologramme ? © YouTube / Science in a Nutshell

Toujours selon la vidéo de In a Nutshell, une personne tombée dans un trou noir vivrait sa vie normalement, en trois dimensions. Ce sont pour ceux en dehors du trou noir que les choses changent puisque cela consisterait en une image plate collée à la surface de l’horizon.

Or, si un trou noir peut à la fois afficher et contenir des informations en deux dimensions et en trois dimensions, qu’est-ce qui nous prouve que l’Univers n’est pas régit par le même principe ? Qu’est-ce qui prouve que nous ne vivons pas actuellement dans un Univers holographique ? Étant donné qu’une personne tombée dans un trou noir ne réaliserait pas qu’elle serait encodée sur une surface plate bidimensionnelle, nous ne nous rendons peut-être pas compte nous-mêmes que nous sommes encodés, nous et l’Univers, sur une surface plate à deux dimensions.

 

Nous vous invitons à regarder la vidéo de In a Nutshell, sans qui cet article n’aurait pas été possible.

Toute cette idée d’un Univers holographique n’est bien sûr qu’à l’état d’hypothèse pour l’instant, et cela implique également de nombreux calculs compliqués, des liens avec des théories de mécanique quantique ou la fameuse théorie des cordes. Cependant, cette hypothèse ou encore celle d’un Univers effacé par les trous noirs montre bien à quel point ces objets célestes sont encore bien mystérieux et qu’il faudra du temps à l’Humanité pour en percer tous les secrets. En admettant qu’on y arrive un jour.

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