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Physique samedi 08 février 2014
Lucia Sillig
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Qui sont ces monstres voraces qui hantent les galaxies ? Stephen Hawking remet en question leur réputation de destination de non-retour
Le trou noir a un fort pouvoir d’attraction, en tout cas sur l’imaginaire collectif. Portail spatio-temporel, cimetière de vaisseaux éléphantesques ou repaire pour dieux de l’Olympe version XXXIe siècle – dans le dessin animé Ulysse 31, l’objet céleste hante les récits de science-fiction. Normal, il est entouré d’une barrière de mystère et de non-retour. Tout ce qui franchit cette limite, appelée « horizon des événements », est censé ne jamais ressortir. Impossible donc d’aller voir ce qu’il s’y passe ou de guigner par le trou de la serrure, puisque même la lumière ne peut échapper à ce monstre vorace : le noir total. Vraiment ?
Stephen Hawking, le célèbre cosmologiste atteint de sclérose latérale amyotrophique, au moins aussi connu pour ses apparitions dans les Simpson que pour ses contributions à la théorie des trous noirs, remet ce modèle en question, dans un bref article publié le 22 janvier sur le site arXiv.org (LT du 01.02.2014). Plus précisément, c’est l’horizon des événements qu’il réfute. « L’absence d’un horizon des événements signifie que les trous noirs n’existent pas, dans le sens où il n’existe pas de région de laquelle la lumière ne peut s’échapper à l’infini », écrit-il. A en juger par le nombre et la complexité des commentaires en ligne qui ont accompagné la nouvelle, on peut dire qu’elle agite beaucoup de gens et qu’il s’agit selon toute vraisemblance de physiciens. Il faut dire que les trous noirs exercent autant de pouvoir sur eux que sur les amateurs de science-fiction. En effet, c’est le seul endroit où leurs deux grandes théories du XXe siècle – la relativité générale d’Einstein, qui traite de grandes distances, et la physique quantique de l’infiniment petit – se rencontrent. Et aucun théoricien n’est pour l’heure parvenu à les concilier. Dans le reste de la nature, cela ne pose aucun problème, relève Roland Walter, astrophysicien à l’Observatoire de Genève, mais au cœur des monstres, l’affrontement donne naissance à de nombreux paradoxes. C’est l’un d’entre eux que Stephen Hawking tente de résoudre par sa proposition.
Mais revenons à la vénérable brèche céleste. Qu’est-ce au juste qu’un trou noir ? C’est un objet tellement dense qu’il faut aller plus vite que la lumière pour s’en libérer, résume Roland Walter. Or, rien ne pouvant aller plus vite que la lumière, rien n’échappe au trou noir.
Il en existe trois types. Les trous noirs stellaires se forment lorsque le cœur d’une étoile massive, de plusieurs dizaines de fois la masse du Soleil, s’effondre sur lui-même, poursuit l’astrophysicien. L’astre arrive en fin de vie et le processus de fusion s’achève. Il ne reste plus rien pour contrebalancer l’effet de la gravité qui attire les éléments les uns vers les autres jusqu’à atteindre une densité en théorie infinie, créant une zone dont plus rien ne peut ressortir. Son volume dépend de la masse de l’astre de départ. Pour une étoile comparable au Soleil, il s’agirait d’une sphère de 3 km de rayon.
Les trous noirs supermassifs boxent dans une autre catégorie. Celui qui occupe le centre de notre galaxie fait 4 millions de fois la masse du Soleil et a un rayon de 12 millions de km. Les scientifiques imaginent que ces monstres pourraient être nés de l’effondrement d’étoiles des débuts de l’Univers, plus massives que celles d’aujourd’hui. « Plusieurs trous se sont peut-être ensuite agrégés et ont encore accrété de la matière », illustre Roland Walter. Parce qu’il arrive que ces bêtes mangent et gagnent ainsi de la masse.
Les astrophysiciens attendent d’ailleurs avec impatience que notre monstre domestique – qui s’est montré étonnamment frugal jusqu’ici – se mette à table. « Cela fait 300 ans qu’il n’avale rien, souligne Roland Walter, mais cela devrait arriver dans les mois à venir. » Un nuage de gaz lui tourne autour et devrait bientôt lui tomber dessus. Or, avant d’être engloutie, la matière chauffe, émet de l’énergie, et la région devient très lumineuse, ce qui permet de l’observer. Grâce aux rayons qui se sont propagés dans l’espace et se reflètent actuellement sur de lointains nuages, les chercheurs peuvent calculer que le trou noir au centre de notre galaxie était beaucoup plus lumineux il y a environ 300 ans, laissant penser qu’un même phénomène s’est produit à cette époque.
« La dernière catégorie – les trous noirs primordiaux – est une conjecture théorique, ils n’ont jamais été observés », relève Roland Walter. Ils peuvent être de toute petite taille, de l’ordre de la particule élémentaire, et se formeraient par effet quantique dans des conditions comme celles qui ont suivi le Big Bang. C’est la création d’un mini-trou noir de ce genre que certains craignaient en 2008 au démarrage de l’accélérateur LHC du CERN (Organisation européenne de recherche nucléaire). C’est aussi, d’après Roland Walter, cette catégorie qui pose le plus de problèmes.
Les trous noirs ont émergé de la théorie de la relativité générale au début du XXe siècle. Lorsque Stephen Hawking a tenté d’y ajouter un peu de physique quantique, en 1974, il a dû ternir un peu leur image : les monstres seraient plutôt gris que tout à fait noirs. Ils émettraient de faibles rayonnements – appelés radiations de Hawking – comparables à des rayonnements thermiques. Ces émanations les feraient rétrécir jusqu’à parfois disparaître. « En pratique, les trous noirs stellaires ou supermassifs sont beaucoup trop grands pour s’évaporer entièrement, dit Roland Walter. Mais les mini-trous noirs… Peut-être qu’ils se sont déjà tous évaporés. »
Or, si un trou noir disparaît, toute l’information sur la matière qu’il a engloutie disparaît avec lui. Et cela, la physique quantique ne peut l’accepter. « Qu’il avale un frigo, une étoile ou une télévision, cela ne fait qu’accroître sa masse, explique Ruth Durrer, directrice du Département de physique théorique de l’Université de Genève. Toute information sur ces objets est en principe perdue. Mais si le trou noir s’évapore, peut-on la récupérer ? »
Stephen Hawking a longtemps soutenu que non. Les radiations qui portent son nom – seule chose à ressortir – ont un contenu trop faible en information pour nous renseigner sur la nature de la matière, l’agencement des atomes, etc. D’où l’impasse. En 2004, le cosmologiste a fini par accepter que ces données devaient d’une manière ou d’une autre s’échapper. « Ce n’est pas dramatique, commente Sergey Sibiryakov, physicien théoricien au CERN et à l’EPFL. Le rayonnement thermique est une approximation. Il doit y avoir quelque chose d’autre, des déviations qui encodent l’information. Mais on n’a pour l’instant pas de théorie pour les décrire. »
Les scientifiques ne sont toutefois pas au bout de leurs peines. Courant 2012, une équipe de l’Institut Kavli de physique théorique de Santa Barbara, en Californie, menée par Joseph Polchinski, a mis le doigt sur un autre paradoxe. Selon la relativité générale, si on imagine un astronaute tombant dans un trou noir, celui-ci devrait franchir le fatidique horizon des événements sans se rendre compte de rien. Ce n’est qu’en s’approchant du centre du monstre que les effets de marée, la différence d’attraction exercée sur ses pieds et sa tête, deviendraient tels qu’il serait étiré comme un spaghetti.
Mais, d’après Joseph Polchinski, les concessions faites à la mécanique quantique (la libération d’information) provoqueraient une sorte de ceinture de feu à l’horizon des événements. Et grilleraient le promeneur spatial malchanceux. Cela découle des effets de dilatation du temps aux abords de la frontière. « Pour un observateur terrestre, l’astronaute ralentira de plus en plus et n’atteindra jamais l’horizon, explique Ruth Durrer. Pour l’astronaute, en revanche, cette traversée sera très rapide. Mais il franchira aussi d’un coup tout le futur et recevra toute l’énergie que le trou peut rayonner. » D’où le désagréable passage au gril, alors que la relativité générale prédit qu’il ne devrait rien arriver à cet endroit.
Pour tenter de résoudre ce énième conflit entre les deux théories, Stephen Hawking suggère donc à présent qu’il n’existe pas d’horizon des événements. Il estime que les effets quantiques autour du trou noir font trop fluctuer l’espace-temps pour qu’une frontière aussi nette existe. Il la remplace par un « horizon apparent », moins strict, qui pourrait en principe relâcher de la lumière ou de l’information. « En principe, insiste Ruth Durrer. Parce que, en pratique, celle-ci serait dans un tel état qu’elle serait pour ainsi dire impossible à reconstituer. Un peu comme la météo, que l’on devrait pouvoir calculer, mais qui est régie par des phénomènes trop chaotiques pour pouvoir être prédite plus de quelques jours à l’avance. »
La proposition de Stephen Hawking paraît très naturelle à Sergey Sibiryakov : « Cela correspond à l’image que se font certaines personnes depuis un moment. » Les chercheurs s’accordent toutefois pour dire qu’elle ne résout pas les nombreux paradoxes qui peuplent encore les trous noirs. « Ce qui est fascinant, c’est de voir le cheminement de pensée par lequel les physiciens tentent de concilier relativité générale et physique quantique, commente Roland Walter. Il me fait penser aux expériences réalisées à la fin du XIXe siècle, sur un coin de table, avec des fils électriques et des boussoles. Elles ont permis de lier l’électricité et le magnétisme en une seule théorie, l’électromagnétisme, qui est à l’origine d’une grande partie du développement technologique du XXe. »
Même avec un horizon moins strict, les trous noirs demeurent malheureusement moins accessibles que les coins de table.
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