A la découverte des trous noirs

• Partie 1/3
• Partie 2/3
• Partie 3/3

		79% réel - 9% indécis - 12% fake 78 votes

A la découverte des trous noirs - Vu 5510 fois.

Les trous noirs constituent l’une des plus fascinantes énigmes de l’Univers.

Dans le vocabulaire de l’astrophysique, ils désignent des corps tellement massifs que l’intensité de leur champ gravitationnel empêche toute forme de matière de s’en échapper, y compris leur propre rayonnement lumineux. Du fait de cette particularité, les trous noirs ne sont pas observables par les moyens classiques dont disposent les astronomes. Plusieurs techniques d’observation indirecte ont cependant été mises au point pour les étudier, techniques qui reposent sur l’incidence des trous noirs sur leur environnement : aspiration de matière, émissions d’ondes radio et de rayons X, etc.

L’existence des trous noirs est aujourd’hui acquise par la quasi-totalité de la communauté scientifique, des astronomes aux astrophysiciens, en passant par les physiciens théoriciens, et s’intègre au modèle de la relativité générale mis au point par EINSTEIN. Toutefois, il n’en a pas toujours été ainsi. Les premiers scientifiques qui menèrent des travaux fondamentaux sur les trous noirs, dans les années 60, se heurtèrent en effet au scepticisme, voire à l’hostilité de leurs pairs, car l'existence de ces phénomènes remettait en question bien des lois fondamentales de la physique. Cet épisode de la série « L’Univers de Stephen HAWKING » retrace l’histoire de la découverte de ces objets fascinants et s’intéresse à ses implications sur notre conception de l’Univers.

. Radioastronomie

Le voyage qui allait conduire jusqu’aux trous noirs commence vers la fin des années 50, avec l’émergence d’une nouvelle discipline scientifique : la radioastronomie. Cette technique d’analyse du ciel dans le domaine des ondes radio révolutionne notre vision de l’Univers. Elle permet en effet de se substituer à l’observation visuelle en captant et en analysant les signaux radio émis par les corps célestes. En fonction de sa nature, chacun de ces objets possède en effet une signature particulière qui permet de l’identifier. Le développement de cette technique d’observation va permettre aux astronomes de scruter pour la première fois les confins de l’Univers grâce aux gigantesques antennes de leurs radiotélescopes.

. 3C 273

En braquant ces instruments sur une région du ciel située dans la constellation de la Vierge, les radioastronomes vont faire une découverte surprenante. Les signaux qu’ils captent en provenance de cette zone étant particulièrement forts, ils s’attendent à y observer les traces d’un véritable cataclysme cosmologique. Or, les télescopes optiques révèlent des étoiles à l’aspect des plus ordinaires. Pas d’explosion stellaire, pas de nuage gazeux turbulent : cette région de la galaxie frappe par le contraste entre son calme apparent et la puissance des signaux radio qu’elle émet.

Les scientifiques y repèrent ce qu’ils croient tout d’abord être une étoile, qu’ils baptisent 3C 273. Sa double particularité est d’être l’une des principales sources d’émission des ondes radio qui ont été captées et l’objet le plus brillant de cette région céleste. Or, les étoiles n’émettent pas d’ondes radio. Cette anomalie amène les astronomes à analyser sa lumière à l’aide du procédé de spectroscopie, qui permet de décomposer le rayonnement en spectre. Celui-ci révèle la présence de rayures noires, c’est-à-dire de la lumière manquante provoquée par les gaz entourant l’étoile, qui absorbent les rayons sur certaines fréquences. Quand ces lignes s’éloignent de leur position normale au sein du spectre, cela veut dire que l’étoile est en déplacement, un décalage vers la partie rouge du spectre lumineux signifiant qu’elle s’éloigne. Or, le spectre de 3C 273 présente un décalage de ce type des plus significatifs, ce qui amène les astronomes à conclure qu’elle s’éloigne à très grande vitesse, se situant à 1 ou 2 milliards d’années-lumière de notre galaxie. Un double questionnement découle de ce constat : comment un objet aussi brillant peut-il être aussi éloigné ? Et surtout, quel est ce nouvel objet céleste caractérisé par un gigantesque embrasement de matière mais qui n’est pas une étoile ?

Les astronomes le baptisent « source de rayonnement quasi-stellaire », appellation qui sera bientôt contractée en « quasar », c'est-à-dire une galaxie lointaine au fort niveau d’émissions d’ondes radio dotée d’un noyau galactique actif. En raison de leur densité énergétique, les quasars comptent parmi les objets les plus lumineux de l’Univers, et c’est particulièrement vrai de 3C 273, qui peut être observée à l’aide d’un simple équipement amateur.

. Des quasars aux trous noirs

Pour apparaître aussi brillants tout en étant aussi éloignés, les quasars émettent une quantité d’énergie phénoménale, estimée entre 100 et 1000 fois plus que toutes les étoiles de notre voie lactée. Cette découverte laisse pantois les astronomes et les astrophysiciens, qui cherchent une explication au comportement extraordinaire des quasars dans le modèle de la relativité d’EINSTEIN.

Dans ce modèle, la gravitation est la force dominante de l’Univers. Mais que peut-il se produire dans des conditions extrêmes ? La gravitation peut-elle compresser d’importantes quantités de matière dans un espace limité ? En 1939 deux articles sont publiés sur ce sujet, l’un d’EINSTEIN, et l’autre du physicien Américain Robert OPENHEIMER. Pour EINSTEIN, la concentration d’une grande quantité de matière dans une zone réduite ne pose aucun problème particulier : l’Univers est tout à fait capable d’absorber et de compenser un tel dégagement d’énergie. La théorie d’OPENHEIMER est toute autre. Pour lui, l’hyper concentration de la matière génèrerait un objet massif qui atteindrait alors un rayon critique avant de s’effondrer sur lui-même, se coupant ainsi du reste de l’Univers. Mais un tel objet « exilé » pourrait-il encore être décrit par les lois de la physique ? Envisager une telle possibilité ne reviendrait-il pas à remettre en cause la théorie de la relativité d’EINSTEIN ? En raison des interrogations qu’elle soulève, l’hypothèse de l’effondrement gravitationnel formulée par OPENHEIMER ne sera tout d’abord pas prise au sérieux par ses pairs.

. De la théorie à la réalité

John WHEELER, professeur de physique à l’université de Princeton, qui a travaillé sur le projet de bombe atomique et compte parmi les physiciens les plus célèbres du 20ème siècle, défend pourtant la théorie d’OPENHEIMER. Pour lui, le rayon critique au-delà duquel un corps céleste est susceptible de s’effondrer sur lui-même peut bel et bien être atteint. Partant de cette certitude, WHEELER va alors s’attacher à modéliser ce phénomène : en s’effondrant sur elle-même à la suite d’une explosion, la matière d’une étoile se comprime de plus en plus, attirant dans son champ gravitationnel les objets qui se trouvent à proximité. A un certain point, même la lumière qu’elle génère devient prisonnière de ce champ : l’étoile effondrée ne peut alors plus émettre le moindre rayonnement, formant un affaissement dans la structure de l’Univers. WHEELER baptisera ce phénomène « trou noir ».

Ce modèle provoquera toutefois de nombreuses controverses dans la communauté scientifique et mettra des années avant être validé. Il faudra en fait attendre l’apparition des ordinateurs et de la puissance de calcul qu’ils offrent aux chercheurs pour disposer d’instruments capables de corroborer la théorie de WHEELER. Au début des années 60, des scientifiques du laboratoire Lawrence LIVERMORE (Californie), dotés de superordinateurs qui ont servi au programme sur la bombe atomique, vont ainsi mettre leurs machines au service de la théorie de l’effondrement gravitationnel. Les résultats sont stupéfiants : leur modélisation montre en effet qu’une grosse étoile en fin de vie est bien susceptible d’atteindre un rayon critique provoquant un effondrement gravitationnel. La matière se retrouve alors aspirée de manière continue, donnant naissance au fameux « trou noir » décrit par John WHEELER.

. Voir l’invisible

L’impact de cette découverte est considérable. Si les trous noirs existent, alors cela remet en cause le schéma de l’Univers tel qu’il était conçu jusqu’ici. Mais les scientifiques doivent surmonter un dernier écueil résumé par ce paradoxe formulé par Stephen HAWKING : si rien ne peut sortir d’un trou noir, comment en détecter un ? Voir l’invisible relève en effet de la gageure.

Puisqu’il n’est pas possible d’observer directement un trou noir, les scientifiques vont s’attacher à déceler l’incidence que celui-ci pourrait avoir sur son environnement immédiat. En raison de sa masse, un trou noir exerce en effet une influence gravitationnelle significative sur les autres corps célestes, influence susceptible de perturber le comportement d’autres étoiles situées à proximité. Ces perturbations se manifestent à travers toute une série de phénomènes physiques : augmentation de la densité, élévation de la température, mais aussi par d’importants dégagements de rayons X. De ce constat découle l’idée d’ausculter l’Univers à la recherche d’émissions inexpliquées de rayons X ; la présence dans ces régions d’étoiles semblant orbiter autour de rien pourrait alors y prouver l’existence d’un trou noir.

Toute une nouvelle génération d’astronomes se met alors à chercher des étoiles de ce type, situées dans des régions émettant de fortes concentrations de rayons X. L’un de ces objets sera découvert en 1988, mais les scientifiques devront attendre que ses émissions s’apaisent pour pouvoir l’observer, car il est entouré d’un disque de matière brulante qui occulte sa visibilité. En tout, il faudra patienter 7 ans avant que débutent les premières observations sérieuses. L’analyse spectrographique de la lumière émise par l’étoile révèle des décalages qui reviennent de manière périodique, ce qui indique que quelque chose aspire sa matière. Les astronomes jubilent : ils viennent de démontrer que l’objet invisible dont le champ gravitationnel perturbe le rayonnement de l’étoile était bien un trou noir.

Cette observation des signes révélant la présence d’un trou noir est une grande première pour l’astronomie. Elle sera corroborée par de nombreuses observations similaires effectuées dans d’autres régions de l’Univers, contraignant les derniers détracteurs des trous noirs à reconnaître leur existence. Loin d’être des phénomènes marginaux ceux-ci seraient présents dans de nombreux endroits de l’Univers, identifiables grâce aux anomalies qu’ils provoquent dans leur voisinage immédiat.

. Singularité

Cependant, même si elle a été validée par ces observations, l’existence des trous noirs ne va pas sans poser un certain nombre de problèmes aux scientifiques. Dans les dernières étapes de l’effondrement d’une étoile, ses régions centrales atteindraient en effet une densité infinie. Ce point de densité infinie est appelé « singularité » par les astrophysiciens, mais la plupart d’entre eux sont convaincus qu’une telle singularité ne peut se former dans le monde réel. En 1965, le mathématicien Roger PENROSE va pourtant réussir à démontrer qu’une étoile au stade final de son effondrement atteindra bien ce stade contradictoire de densité infinie. Contradictoire, car cette réalité porte en elle les germes de la destruction de la théorie de la relativité. Pour Stephen HAWKING, la prise en compte de ces singularités est cependant cruciale pour expliquer l’Univers. Le Big Bang et les trous noirs sont des singularités : des lieux ou l’espace et le temps disparaissent e où les lois de la physique sont abolies.

. Duo galactique

Reste maintenant à mettre en lumière le lien entre quasars et trous noirs. Dans le gigantesque mécanisme d’horlogerie de l’Univers, tous les deux sont des engrenages indissociables. L’intensité du rayonnement des quasars – cet énorme disque brillant visible à des milliards d’années-lumière de distance – serait ainsi généré par le frottement de la matière autour du centre, là où les vitesses générées par le trou noir sont les plus élevées. Ce que nous voyons aujourd’hui de ces amas galactiques a cessé d’exister depuis des milliards d’années, mais ces images fantômes nous parlent de l’Univers tel qu’il fut à ses débuts, et elles constituent en cela un héritage précieux pour les scientifiques.

. Radiation de Hawking

Pour finir, le documentaire s’intéresse à ce qui pourrait bien se trouver au cœur d’un trou noir. Les recherches de Stephen HAWKING ont mis en évidence l’existence de rejets composés de particules auxquelles leur vitesse, supérieure à celle de la lumière, permet d’échapper à l’énorme force gravitationnelle qui s’exerce. Il s’agit bien entendu de particules microscopiques, mais ce phénomène, baptisé « radiation de Hawking », démontre que la matière est capable de voyager de part et d’autre d’un trou noir.

La singularité même des trous noirs doit nous inciter à penser en dehors des sentiers battus, et pourquoi pas, à envisager l’improbable. C’est ainsi que certains théoriciens envisagent sérieusement d’utiliser les trous noirs pour voyager dans le temps. Ils deviendraient alors des sortes de tunnels entre différentes époques de l’Univers, tunnels qu’il serait possible d’emprunter. La physique des trous noirs flirte avec l’impossible, ouvrant des perspectives vers des mondes encore inconnus. Aujourd’hui, tout repose sur l’idée qu’il est impossible d’aller plus vite que la vitesse de la lumière. Or, la radiation de Hawking démontre que certaines particules échappent à cette loi que nous considérons comme immuable. Ce qu’on pense aujourd’hui impossible deviendra peut-être demain la nouvelle norme, et qui sait si les trous noirs ne vont pas contribuer, dans un avenir proche, à modifier radicalement notre connaissance de l’Univers, ouvrant d’autres possibilités comme le voyage intergalactique ou le saut dans le temps ? Dans l’attente de nouvelles découvertes scientifiques sur ces objets qui constituent l’un des plus grands mystères de l’Univers, la question reste ouverte.

EN RÉSUMÉ : Malgré sa volonté pédagogique, ce documentaire reste d’un abord difficile. Même condensées au maximum, les explications déroutent par leur complexité, faisant appel à des théories, des concepts, qui relèvent des pans les plus ardus de l’astrophysique. Il faut dire que le sujet est particulièrement difficile : objets fascinants autant que mystérieux, les trous noirs restent aujourd’hui encore relativement mal connus des astrophysiciens, qui se retrouvent confrontés, dans leur étude de ces phénomènes, aux limites de leur discipline.

La voix robotique de Stephen HAWKING aurait pu dissiper certaines zones d’ombre ou approximations du commentaire, malheureusement les informations qu’elle distille sont souvent anecdotiques et ne facilitent en rien la compréhension des sujets abordés. Quelques digressions aussi confuses qu’inutiles – sur la vie extra-terrestre ou la littérature de science-fiction – ajoutent encore à la confusion de l'ensemble, diluant le sujet au lieu de le recentrer autour d’explications qui auraient pourtant été les bienvenues. Heureusement, le fil rouge historique qui narre les grandes étapes de la découverte des trous noirs permet de ne pas perdre pied totalement, mais il reste cependant trop ténu pour emporter réellement notre adhésion. Dommage, car le sujet, mieux traité, aurait pu donner lieu à des développements fascinants.

A la découverte des trous noirs a été vue 5510 fois.

Complément : quasar



3 commentaire(s)

1

Pour laisser un commentaire vous devez vous connecter !
Si vous n'avez pas de compte, cliquez ici pour en ouvrir un.