Trou noir : L'endroit où la nature cache ses mystères à jamais


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  • Le trou noir a fait l’objet de milliers d’études et de théories. Et malgré des décennies à l’étudier, le trou noir est un coffre fort qui semble inviolable aux yeux de la science.


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    A la rencontre des trous noirs qui cachent les mystères les plus insondables de l'univers

    Nous avons une conception claire de l’extérieur et de l’intérieur. L’extérieur d’une maison et son intérieur. Mais ces 2 concepts atteignent un sens quasi universel dans le trou noir. Nous vivons à l’extérieur et aucune sonde ne nous donnera jamais ce qu’il y a l’intérieur. Nous pouvons envoyer des messages radio ou des vaisseaux, mais une fois qu’ils franchissent l’intérieur du trou noir, alors ils sont perdus à jamais avec les informations qu’ils contiennent. Nous ne pouvons pas ressortir d’un trou noir de la même manière qu’on ne peut pas retourner dans le passé.

    La frontière infranchissable de l’horizon des événements d’un trou noir

    La frontière d’un trou noir est son horizon des événements. Ce n’est pas une surface au sens habituel avec une barrière physique, mais c’est une chose complètement tangible. Au-delà de l’horizon, un objet peut s’échapper du trou noir s’il se déplace avec suffisamment de vitesse. À l’intérieur, il devra dépasser la vitesse de la lumière pour s’échapper et c’est impossible selon les lois de la nature.

    Dans un sens, un trou noir est son horizon des événements, car nous ne pouvons pas observer ce qu’il y a l’intérieur. Et son intérieur est le plus grand secret de la nature qui permet à n’importe quelle matière d’entrer, mais sans possibilité de sortir. Et les trous noirs sont encore plus énigmatiques, car ils n’ont aucune caractéristique selon la relativité générale. Les trous noirs peuvent se former à partir de différents événements tels que la mort des étoiles ou l’effondrement gravitationnel de grandes quantités de gaz dans l’univers jeune, mais le résultat est le même. Même la composition chimique et la forme de ce qui est capturé par le trou noir perdent tout son sens une fois que c’est à l’intérieur. Les seules propriétés d’un trou noir sont sa masse et sa vitesse de rotation.

    Le résultat est connu comme le théorème de calvitie : Il n’y a même pas un poil qui reste collé à l’extérieur du trou. Le nom du théorème de Calvitie vient du physicien John Archibald Wheeler qui avait un problème de tempes dégarnies. Et ce théorème présente un sacré dilemme : Nous ignorons si le trou noir supprime son autobiographie en supprimant son passé et la composition de sa progéniture ou qu’il la préserve dans une manière que nous ignorons encore. Si l’information est détruite, alors c’est une violation de l’un des principes de la mécanique quantique. Et si l’information est préservée, alors cela nécessite une théorie qui dépasse la relativité générale.

    Une simulation informatique d'un nuage de gaz qui passe à coté du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée et les effets gravitationnels sur le nuage.ESO/MPE/Marc Schartmann

    Une simulation informatique d’un nuage de gaz qui passe à coté du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée et les effets gravitationnels sur le nuage.ESO/MPE/Marc Schartmann

    L’intérieur d’un trou noir n’est pas simplement une région inaccessible du cosmos. C’est un laboratoire pour les physiques extrêmes : La gravitation et les processus quantiques les plus intenses. C’est pourquoi les physiciens sont si intéressés par ce qui se passe à l’intérieur même s’ils se heurtent à l’absence d’observations pour tester leurs idées. Nous ne pouvons pas pénétrer l’horizon des événements, mais cela ne signifie pas que nous ignorons tout de son intérieur. Nous sommes quasiment sûrs que les trous noirs ne possèdent pas de portail vers une autre région de l’espace ou une autre dimension qu’on connait comme un trou de ver. La plupart des physiciens s’accordent sur le fait que pour expliquer l’intérieur des trous noirs, il nous faudra une gravité quantique qui est une théorie qui unifie la physique quantique et la relativité générale ou une version modifiée de notre modèle actuel de la gravitation. On ignore encore la structure de cette théorie, mais les chercheurs ont des petites idées sur ce qu’elle doit ressembler.

    L’approche hybride de la radiation Hawking

    Une approche hybride a été proposé par Yakov Borisovich Zel’dovich, Jacob Bekenstein et notamment Stephen Hawking. Sans une théorie de gravité quantique, ils ont utilisé les particules de la physique en combinaison avec la relativité générale pour montrer que l’horizon des événements possède une température qui n’est pas un zéro absolu et donc, il doit émettre une lueur. On connait cette lueur comme la radiation Hawking. Elle se produit lorsque les particules associées, un électron et un positron ou une paire de photons sont créés dans le champ gravitationnel intense. Une particule tombe dans le trou noir et l’autre s’échappe.

    Étant donné que c’est l’énergie provenant du trou noir qui est la source de la masse des nouvelles particules (via E = mc2), alors la masse du trou noir se réduit à chaque particule qui s’échappe. Malheureusement, la température de l’horizon des événements est faible par rapport aux trous noirs que nous observons (des trous noirs de très grande taille) et la radiation Hawking est plus faible que d’autres sources de lumière. Cependant, s’il existe des trous noirs de masse faible, alors ils seraient illuminés par la radiation Hawking et ces trous noirs se désintégreraient rapidement pour s’évaporer complètement. Et l’observation de cette évaporation nous permet de confirmer si l’information est définitivement perdue ou simplement cachée par l’horizon des événements.

    Hawking avait déclaré que le problème avait été résolu en principe. Les trous noirs préservent l’information qu’ils avalent comme un hologramme qui préserve l’information en 3 dimensions même si ce sont des images en 2 dimensions. Son hypothèse, basée sur une idée de la théorie des cordes, ne fonctionne pas dans notre cosmos à 4 dimensions (3 dimensions spatiales et une du temps), mais cela peut marcher dans un univers abstrait à 10 dimensions. Et les scientifiques n’ont pas été convaincus par la démonstration de Hawking même s’ils s’accordent sur le fait que les trous noirs n’oublient pas leurs origines.

    La radiation Hawking est composée de nombreuses choses incluant des particules exotiques comme la matière noire ou les gravitons que nous n’avons jamais vues en laboratoire. C’est une notion intrigante, mais la nature interfère cruellement avec nos meilleurs efforts pour les observer. Nous pourrions voir la radiation Hawking d’un grand trou noir, mais uniquement s’il n’est pas actif (il n’avale pas de matière) et que le trou soit très proche.

    Si proche et si loin

    Le trou noir le plus proche est V404 Cygni qui est situé à 8 000 années-lumières. C’est l’épaisseur d’un cheveu à l’échelle cosmique, mais c’est encore très loin par rapport à nos capacités d’observation. En comparaison, Voyager 1, qui est la sonde la plus éloignée, se trouve à 17 heures-lumières au moment où nous écrivons ces lignes. Le trou noir supermassif le plus proche (excédant 100 000 fois la masse du soleil) est à 26 000 années lumières. C’est le monstre au centre de notre Voie lactée qu’on connait comme Sagittaire A.

    Nous voyons les trous noirs comme V404 Cygni par la matière qui les entourent. Les matières qui sont extraites d’étoiles proches se réchauffent lorsqu’elles orbitent autour du trou noir en émettant des rayons X intenses et des radiations radio. Mais grâce aux observations en haute résolution, les astronomes ont pu mesurer le gaz qui tourne dans une orbite très proche autour du trou noir géant dans la galaxie M87. Et la danse des étoiles et du plasma à côté de Sagittaire A révèle la présence d’un trou noir qui maintient notre galaxie. Au fil des années, nous aurons une meilleure vision des trous noirs et nous nous approcherons de plus en plus de l’horizon des événements. Mais la nature cache toujours le mystère de ce qu’il y a dans le trou noir et ce mystère est sans doute caché à jamais. La physique théorique a émis toutes sortes d’hypothèse sur le trou noir. On a les trous de ver dont on a parlé, mais qui sont hautement improbables et on a aussi la théorie des univers de poche. Si on considère que l’intérieur du trou noir est une singularité, comme le Big Bang, alors il pourrait créer des espaces limités, mais avec une densité intense.

    Cela impliquerait que les événements de cet univers de poche mettraient des millénaires par rapport à notre univers normal. On peut aller plus loin avec des univers de poche imbriqués. La singularité du trou noir crée un univers de poche qui crée des étoiles et d’autres types de masse et il peut aussi créer d’autres trous noirs qui créent d’autres univers de poche et ainsi de suite. Est-ce que nous sommes à l’intérieur d’un trou noir à l’échelle cosmique ? Il est intéressant qu’il y ait une barrière physique infranchissable qui nous empêche de voir l’intérieur du trou noir, mais même la frontière la plus puissante de l’univers ne peut pas empêcher l’esprit humain d’imaginer ce qui se passe à l’intérieur.

     

    Houssen Moshinaly

    Rédacteur en chef d'Actualité Houssenia Writing. Rédacteur web depuis 2009.

    Blogueur et essayiste, j'ai écrit 9 livres sur différents sujets comme la corruption en science, les singularités technologiques ou encore des fictions. Je propose aujourd'hui des analyses politiques et géopolitiques sur le nouveau monde qui arrive. J'ai une formation de rédaction web et une longue carrière de prolétaire.

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    1. chris dit :

      Voyager 1, est a 17 heures lumière et non a 17 années lumière….

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