Dans les chambres enchevêtrées des trous noirs, deux théories fondamentales sur notre monde se heurtent. Les trous noirs existent-ils vraiment? Il semble que oui. Les problèmes fondamentaux qui émergent après une inspection plus approfondie des trous noirs peuvent-ils être résolus? Inconnue. Pour comprendre ce à quoi les scientifiques ont affaire, il vous faudra plonger un peu dans l'histoire de l'étude de ces objets insolites. Et nous commencerons par le fait que de toutes les forces qui existent en physique, il y en a une que nous ne comprenons pas du tout: la gravité.
La gravité est l'intersection de la physique fondamentale et de l'astronomie, la frontière à laquelle se heurtent deux des théories les plus fondamentales décrivant notre monde: la théorie quantique et la théorie d'Einstein de l'espace-temps et de la gravité, aussi appelée relativité générale.
Trous noirs et gravité
Ces deux théories semblent incompatibles. Et ce n'est même pas un problème. Ils existent dans différents mondes, la mécanique quantique décrit très petit et la relativité générale décrit très grand.
Ce n'est que lorsque vous arrivez à des échelles extrêmement petites et à une gravité extrême que les deux théories se heurtent et l'une d'elles se révèle fausse. En tout cas, cela découle de la théorie.
Mais il y a un endroit dans l'univers où nous pourrions être témoins de ce problème, et peut-être même le résoudre: le bord d'un trou noir. C'est là que nous rencontrons la gravité la plus extrême. Mais il y a un problème: personne n'a jamais "vu" un trou noir.
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Qu'est-ce qu'un trou noir?
Imaginez que tout le drame du monde physique se déroule dans le théâtre de l'espace-temps, mais la gravité est la seule force qui change réellement le théâtre dans lequel il est joué.
La force de gravité contrôle l'univers, mais ce n'est peut-être même pas une force au sens traditionnel du terme. Einstein l'a décrit comme une conséquence de la déformation de l'espace-temps. Et peut-être que cela ne rentre tout simplement pas dans le modèle standard de la physique des particules.
Lorsqu'une très grande étoile explose à la fin de sa vie, sa partie la plus intérieure s'effondre sous sa propre gravité, car il n'y a plus assez de carburant pour maintenir la pression contre la gravité. Après tout, la gravité est toujours capable d'exercer une force, cela semble être le cas.
La matière s'effondre et aucune force dans la nature ne peut quitter cet effondrement.
Sur un temps infini, une étoile s'effondre en un point infinitésimal: une singularité, ou appelons cela un trou noir. Mais dans un temps fini, bien sûr, le noyau stellaire s'effondrera en quelque chose de dimensions finies, et aura toujours une masse énorme dans une zone infiniment petite. Et cela s'appellera aussi un trou noir.
Les trous noirs ne sucent pas tout autour
Remarquablement, l'idée qu'un trou noir va inévitablement tout aspirer en lui-même est fausse.
En fait, que vous soyez en orbite autour d'une étoile ou d'un trou noir formé à partir d'une étoile, cela n'a pas d'importance tant que la masse reste la même. Une bonne force centrifuge à l'ancienne et votre moment cinétique vous garderont en sécurité et vous empêcheront de tomber.
Ce n’est que lorsque vous engagez vos freins de fusée pour interrompre la rotation que vous commencez à tomber vers l’intérieur.
Cependant, dès que vous commencerez à tomber dans des trous noirs, vous accélérerez progressivement à des vitesses toujours plus élevées jusqu'à atteindre enfin la vitesse de la lumière.
Pourquoi la théorie quantique et la relativité générale sont-elles incompatibles?
Pour le moment, tout se brise, car selon la relativité générale, rien ne peut aller plus vite que la vitesse de la lumière.
La lumière est un substrat utilisé dans le monde quantique pour échanger des forces et transporter des informations vers le macrocosme. La lumière détermine la rapidité avec laquelle vous pouvez connecter la cause et l'effet. Si vous vous déplacez plus vite que la lumière, vous pouvez voir les événements et changer les choses avant qu'ils ne se produisent. Et cela a deux conséquences:
- Au point où vous atteignez la vitesse de la lumière en tombant vers l'intérieur, vous devez également voler hors de ce point à une vitesse encore plus élevée, ce qui semble impossible. Par conséquent, la sagesse physique conventionnelle vous dira que rien ne peut quitter un trou noir en brisant cette barrière, que nous appelons également «l'horizon des événements».
- Il en découle également que les principes de base de la conservation des informations quantiques sont soudainement violés.
Que cela soit vrai et comment pouvons-nous modifier la théorie de la gravité (ou la physique quantique) sont des questions auxquelles de nombreux physiciens cherchent des réponses. Et aucun de nous ne peut dire avec quels arguments nous finirons.
Existe-t-il des trous noirs?
Evidemment, toute cette excitation ne serait justifiée que si les trous noirs existaient vraiment dans cet univers. Alors, existent-ils?
Il a été prouvé de manière concluante au siècle dernier que certains binaires avec des rayons X intenses sont en fait des étoiles qui se sont effondrées en trous noirs.
De plus, dans les centres des galaxies, nous trouvons souvent des preuves d'énormes concentrations de masse sombre. Il pourrait s'agir de versions supermassives de trous noirs, probablement formés par la fusion de nombreuses étoiles et nuages de gaz qui ont plongé au centre de la galaxie.
Les preuves sont solides mais circonstancielles. Les ondes gravitationnelles nous ont permis au moins "d'entendre" la fusion des trous noirs, mais la signature de l'horizon des événements est encore insaisissable et nous n'avons jamais "vu" de trous noirs jusqu'à présent - ils sont simplement trop petits, trop éloignés et, dans la plupart des cas, trop noirs.
À quoi ressemble un trou noir?
Si vous regardez directement dans un trou noir, vous verrez l'obscurité la plus sombre imaginable.
Mais les environs immédiats du trou noir peuvent être suffisamment lumineux lorsque les gaz s'enroulent vers l'intérieur - ralentissant en raison de la résistance des champs magnétiques qu'ils transportent.
En raison du frottement magnétique, le gaz est chauffé à d'énormes températures de plusieurs dizaines de milliards de degrés et commence à émettre des ultraviolets et des rayons X.
Les électrons ultra-chauds interagissant avec le champ magnétique dans le gaz commencent à produire une émission radio intense. Ainsi, les trous noirs peuvent briller et peuvent être entourés d'un anneau de feu émettant à différentes longueurs d'onde.
Anneau de feu avec un centre noir-noir
Et pourtant, en plein milieu, l'horizon des événements attrape, comme un oiseau de proie, chaque photon qui se rapproche trop.
Puisque l'espace est courbé par l'énorme masse du trou noir, les chemins de lumière se courbent également et forment même des cercles presque concentriques autour du trou noir, comme des serpentins autour d'une vallée profonde. Cet anneau d'effet de lumière a été calculé dès 1916 par le célèbre mathématicien David Hilbert quelques mois seulement après qu'Albert Einstein eut achevé sa théorie de la relativité générale.
Après avoir traversé le trou noir plusieurs fois, certains rayons lumineux peuvent s'échapper, tandis que d'autres se retrouveront dans l'horizon des événements. Sur ce chemin complexe de lumière, vous pouvez littéralement regarder dans un trou noir. Et le «rien» qui apparaît à votre regard sera l'horizon des événements.
Si vous preniez une photo d'un trou noir, vous verriez une ombre noire entourée d'un brouillard lumineux. Nous avons appelé cette fonctionnalité l'ombre du trou noir.
Remarquablement, cette ombre semble être plus grande que ce à quoi on pourrait s'attendre si l'on prend le diamètre de l'horizon des événements comme son origine. La raison en est que le trou noir agit comme une lentille géante, s’amplifiant.
L'environnement d'ombre sera représenté par un minuscule «anneau de photons» en raison de la lumière qui tourbillonne autour du trou noir presque pour toujours. De plus, vous verrez plus d'anneaux de lumière apparaître près de l'horizon des événements, mais se concentrant autour de l'ombre du trou noir en raison de l'effet de lentille.
Fantaisie ou réalité?
Un trou noir pourrait-il être une véritable invention qui ne peut être modélisée que sur un ordinateur? Ou pouvez-vous le voir en pratique? Réponse: c'est possible.
Il y a deux trous noirs supermassifs relativement proches dans l'univers qui sont si grands et si proches que leurs ombres peuvent être capturées à l'aide de la technologie moderne.
Au centre de notre Voie Lactée, il y a des trous noirs à 26000 années-lumière avec une masse 4 millions de fois la masse du Soleil et un trou noir dans la galaxie elliptique géante M87 (Messier 87) avec une masse de 3-6 milliards de masses solaires.
M87 est mille fois plus éloigné, mais mille fois plus massif et mille fois plus grand, donc les deux objets auront à peu près le même diamètre qu'une ombre projetée sur le ciel.
Voir un grain de moutarde à New York depuis l'Europe
Par coïncidence, de simples théories du rayonnement prédisent que pour les deux objets, le rayonnement généré près de l'horizon des événements sera émis à des fréquences radio de 230 Hz et plus.
La plupart d'entre nous ne rencontrons ces fréquences que lorsque nous devons passer par un scanner dans un aéroport moderne. Les trous noirs y nagent constamment.
Ce rayonnement a une longueur d'onde très courte - de l'ordre du millimètre - qui est facilement absorbée par l'eau. Pour qu'un télescope puisse observer les ondes millimétriques cosmiques, il doit être placé haut sur une montagne sèche pour éviter d'absorber les radiations dans la troposphère terrestre.
Fondamentalement, nous avons besoin d'un télescope millimétrique capable de voir un objet de la taille d'une graine de moutarde à New York depuis quelque part aux Pays-Bas. Ce télescope sera mille fois plus net que le télescope spatial Hubble, et à des longueurs d'onde millimétriques, la taille d'un tel télescope sera l'océan Atlantique ou plus.
Un télescope virtuel de la taille de la Terre
Heureusement, nous n'avons pas besoin de couvrir la Terre avec une seule antenne radio, car nous pouvons construire un télescope virtuel avec la même résolution, en combinant les données de télescopes dans différentes montagnes autour de la Terre.
Cette technique est appelée synthèse d'ouverture et interférométrie de base très longue (VLBI). L'idée est assez ancienne et éprouvée depuis plusieurs décennies, mais ce n'est que maintenant qu'il est devenu possible de l'appliquer à des fréquences radio élevées.
Les premières expériences réussies ont montré que les structures de l'horizon des événements peuvent être étudiées à de telles fréquences. Maintenant, il y a tout ce dont vous avez besoin pour réaliser une telle expérience à grande échelle.
Les travaux sont déjà en cours
Le projet BlackHoleCam est un projet européen pour l'image ultime, la mesure et la compréhension des trous noirs astrophysiques. Le projet européen fait partie d'une collaboration mondiale - le consortium Event Horizon Telescope, qui comprend plus de 200 scientifiques d'Europe, d'Amérique, d'Asie et d'Afrique. Ensemble, ils veulent prendre la première photo d'un trou noir.
En avril 2017, ils ont observé le centre galactique et le M87 avec huit télescopes sur six montagnes différentes en Espagne, en Arizona, à Hawaï, au Mexique, au Chili et au pôle Sud.
Tous les télescopes étaient équipés d'horloges atomiques précises pour synchroniser avec précision leurs données. Les scientifiques ont enregistré plusieurs pétaoctets de données brutes, grâce à des conditions météorologiques étonnamment bonnes dans le monde à l'époque.
Photo d'un trou noir
Si les scientifiques parviennent à voir l'horizon des événements, ils sauront que les problèmes qui se posent à la jonction de la théorie quantique et de la relativité générale ne sont pas abstraits, mais bien réels. C'est peut-être là qu'ils peuvent être résolus.
Cela peut être fait en obtenant des images plus claires des ombres des trous noirs, ou en suivant les étoiles et les pulsars sur leur chemin autour des trous noirs, en utilisant toutes les méthodes disponibles pour étudier ces objets.
Ce sont peut-être les trous noirs qui deviendront nos laboratoires exotiques à l'avenir.
Ilya Khel