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LE MYSTÈRE DES TROUS NOIRS

La fascination pour les trous noirs dans les œuvres de science-fiction s’explique par le caractère inhérent à ces objets d’être en partie inexplicables. Einstein lui-même doutait de leur existence, alors même que la théorie de la relativité avait mis en évidence leur présence dans l’univers. Déjà, contrairement à ce que son nom laisse penser, un trou noir n’est pas un vide dans l’espace. C’est une concentration de matière massive dans un espace relativement restreint, dont le champ gravitationnel est tellement fort que rien ne pourrait s’en réchapper, même pas la lumière. Il est donc impossible pour les scientifiques d’avoir des certitudes sur ce qu’il y a dans un trou noir. Tout objet qui y rentrerait, disparaîtrait de notre univers. Mais comment fonctionne ce mystérieux objet cosmique ?


©INTERSTELLAR

On doit leur existence à certaines étoiles si massives, que, lorsqu’elles meurent, s’effondrent sur elles-mêmes et donnent naissance à des trous noirs dits « stellaires ». Une étoile dont la masse dépasse 1,44 fois la masse du soleil verra son noyau se contracter brutalement avant que l’étoile entière explose, laissant seulement un noyau dont la densité est extrêmement forte. On parle d’explosion de supernova à effondrement de cœur : la luminosité produite par une telle explosion est dix milliards de fois plus grande que la luminosité du soleil. Si la masse originelle de l’étoile est inférieure à vingt fois la masse du soleil, elle se transforme en étoile à neutrons. Mais si la masse était comprise entre vingt et quarante fois la masse du soleil, elle devient un trou noir.


Il existe également les trous noirs nommés « supermassifs », dont la masse dépasse un million de fois celle du soleil, et dont chaque galaxie en serait dotée en son centre. La Voie lactée, par exemple, abrite un gigantesque trou noir dont la masse dépasse quatre millions de fois celle du soleil : Sagittarius A*. Néanmoins, leur formation est encore sujette à débat. Il y aurait deux scénarios probables à leur création. D’abord trous noirs stellaires, ils s’agrandiraient par accrétion jusqu’à former un trou noir supermassif. Mais cette théorie semble peu convaincante. Les scientifiques privilégient l’hypothèse selon laquelle un trou noir supermassif se formerait à l’effondrement gravitationnel non pas d’une étoile mais d’un nuage de gaz. Il serait même possible que ces trous noirs fusionnent avec d’autres trous noirs lorsque deux galaxies rentreraient en collision. Leur rencontre occasionnerait des ondes gravitationnelles extrêmement fortes et déformerait l’espace-temps qui les entoure : « En une fraction de seconde, les trous noirs entrent alors en collision à une vitesse de l'ordre de la moitié de celle de la lumière et fusionnent en un trou noir unique. Celui-ci est plus léger que la somme des deux trous noirs initiaux car une partie de leur masse (ici, l'équivalent de 3 soleils, soit une énergie colossale) s'est convertie en ondes gravitationnelles » avait expliqué le CNRS. Bien que le système binaire de trous noirs soient très fréquents, les scientifiques ne peuvent affirmer que ces deux trous noirs rentreraient à chaque fois en fusion. Ils pourraient, en effet, rester en orbite pendant des milliards d’années sans jamais se rapprocher.


Simulation de la collision entre deux trous noirs supermassifs ©NASA

Il est théoriquement possible de s’approcher d’un trou noir sans être forcément happé à l’intérieur. De loin, c’est une sphère totalement noire, puisqu’aucune lumière ne s’en échappe, dont la force gravitationnelle oblige les objets environnants à dévier leur trajectoire. Les étoiles qui passent à côté d’un trou noir auront donc leur trajectoire détournée, de sorte qu’elles feront soit un tour, soit un demi-tour du trou noir avant de pouvoir continuer leur course. Phénomène plus surprenant encore, le trou noir crée une infinité « d’images fantômes » des objets environnants. Autrement dit, si une étoile se trouve à proximité du trou noir, la déviation de la lumière créera une image fantôme plus près du trou noir. Plus on s’approche de celui-ci, plus les images fantômes se multiplient : l’étoile peut donc avoir plusieurs hologrammes. Par ailleurs, le trou noir possède un disque d’accrétion, de la même manière que Jupiter par exemple. Mais sa force gravitationnelle renvoie la lumière du disque au-devant et en dessous : c’est pour cette raison que le trou noir semble entourer de part et d’autre d’un halo lumineux.


Mais si l’on s’approche encore du trou noir, on arrive à la limite entre ce disque d’accrétion que constitue les objets environnants, et le trou noir en lui-même. Cette limite est « l’horizon des événements ». Il est le point de non-retour : une fois dépassé, l’objet qui avait commencé sa course sera inéluctablement aspiré dans le trou noir. Il serait alors distordu par la force de gravité, sous un effet que les scientifiques appellent la « spaghettification » : autrement dit, l’avant du vaisseau serait dangereusement happé par le trou noir, tandis que l’arrière du vaisseau subirait une pression moindre. Le résultat évident de cette distorsion amènerait à la dislocation totale du vaisseau. Une fois désintégrés, les morceaux du vaisseau tomberaient dans le cœur du trou noir, que les scientifiques appellent sa « singularité » puisque l’on ne sait pas ce qui se trouve à l’intérieur. Mathématiquement, il a été démontré qu’il est impossible pour n’importe quel objet d’atteindre la singularité du trou noir (donc le trou, en quelque sorte) puisque celui se refermerait assez vite pour l’en empêcher.


Donc le trou se referme, certes. Mais cela signifie surtout qu’il est ouvert pendant un bref instant. Alors comment l’expliquer ? Du point de vue de l’élégance mathématique, il faut pouvoir justifier comment un tel trou dans l’univers peut exister. C’est de cette manière que les mathématiciens ont élaboré un objet complémentaire au trou noir, le « trou blanc ». Celui-ci contrairement au trou noir, rejetterait tous les objets et rien ne pourrait y rentrer. Admettons maintenant que ces deux trous soient reliés par un tube : cela formerait ce que les astrophysiciens ont appelés un « trou de ver ». Le trou de ver relierait de cette manière deux espaces temps indépendants.


©HITEK

L’existence d’un tel objet est purement spéculative bien qu’Albert Einstein et Nathan Rosen l’aient déjà théorisé en 1935 sous le nom de « pont Einstein-Rosen ». De plus, le fonctionnement de l’espace-temps, obéissant à la loi de la relativité générale, obligerait un tel objet à toujours se refermer avant que l’on puisse accéder au pont entre le trou noir et le trou blanc. Mathématiquement, il est possible de créer un trou de ver qui permettrait un voyage entre deux univers spatio-temporels différents mais, malheureusement, ce type de trou de ver serait déjà difficile à maintenir à l’échelle macroscopique. En effet, pour empêcher le trou de se refermer à chaque fois qu’un objet y entre, il faudrait assez d’énergie négative pour annuler l’influence gravitationnelle. Or, l’énergie négative reste également un objet purement hypothétique aujourd’hui. Le trou de ver est donc un objet dont l’existence repose sur de nombreuses hypothèses encore non vérifiées. Et même s’il existait, de nombreuses raisons feraient que le voyage dans un trou de ver pourrait être infaisable.


Les trous noirs sont donc des objets encore peu connus scientifiquement. Ces objets cosmiques étant déjà très difficiles à trouver dans l’univers, il est improbable que les scientifiques aient des certitudes sur leur fonctionnement avant des dizaines d’années. Il a fallu quinze ans pour seulement douter de l’existence d’un trou noir au centre de notre galaxie, par l’observation des étoiles environnantes. Par ailleurs, certains événements n’ont jamais pu être observés, et d’autres ne se produisent que quelques fois en un siècle. Et malheureusement, on ne sait pas encore comment les utiliser pour voyager dans le temps…


Salomé