Qu'est-ce que ça fait de tomber dans un trou noir qui tourne? Il est impossible d'observer cela, mais vous pouvez calculer … La question est extrêmement intéressante, et la science est en mesure d'y répondre, car les propriétés des trous noirs sont connues, écrit Forbes. Le docteur en astrophysique s'est entretenu avec de nombreuses personnes qui ont fait de tels calculs et est pressé de parler des résultats extrêmement intéressants, appuyés par un certain nombre de visualisations.
Il existe de nombreuses manières terribles par lesquelles l'univers peut détruire quelque chose. Dans l'espace, si vous essayez de retenir votre souffle, vos poumons exploseront. Et si vous expirez tout l'air jusqu'à la dernière molécule, éteignez-le après quelques secondes. À certains endroits de l'univers, vous vous transformerez en glace lorsque la chaleur quittera votre corps; dans d'autres endroits, il fait si chaud que vos atomes se transforment en plasma. Mais quand je considère comment l'univers peut se débarrasser de moi (ou de vous), je ne peux pas imaginer un spectacle plus fascinant que d'entrer dans un trou noir. Le scientifique Heino Falcke, qui travaille sur le projet Event Horizon Telescope, est du même avis. Il demande:
Qu'est-ce que ça fait de tomber dans un trou noir qui tourne? Il est impossible d'observer cela, mais il est possible de calculer … J'ai parlé avec beaucoup de gens qui ont fait de tels calculs, mais je vieillis et je commence à oublier beaucoup.
Cette question est extrêmement intéressante et la science est en mesure d'y répondre. Demandons-lui.
Selon notre théorie de la gravitation, la théorie générale de la relativité d'Einstein, il n'y a que trois caractéristiques qui déterminent les propriétés d'un trou noir. Les voici:
1. Masse, ou la quantité totale de matière et la quantité d'énergie correspondante (calculée par la formule E = mc2), qui a été dépensée pour la formation et la croissance du trou noir dans son état actuel.
2. La charge, ou la charge électrique totale apparaissant dans un trou noir de tous les objets chargés positivement et négativement qui y tombent pendant son existence.
3. Moment angulaire, ou moment de rotation, qui mesure la quantité totale de mouvement de rotation d'un trou noir.
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De manière réaliste, tous les trous noirs de l'Univers doivent avoir une masse importante, un couple important et une charge négligeable. Cela complique beaucoup les choses.
En pensant à un trou noir, nous le représentons sous une forme simplifiée, ne se caractérisant que par la masse. Il a un horizon d'événements autour d'un point unique (singularité), ainsi qu'une zone entourant ce point, d'où la lumière ne peut pas s'échapper. Cette zone a la forme d'une sphère parfaite et d'une frontière séparant les zones qui peuvent émettre de la lumière et celles qui ne le font pas. Cette frontière est l'horizon des événements. L'horizon des événements est situé à une distance très spécifique et égale (rayon de Schwarzschild) de la singularité dans toutes les directions.
Ceci est une description simplifiée d'un vrai trou noir. Mais il vaut mieux commencer par des phénomènes physiques se produisant à deux endroits spécifiques: à l'extérieur de l'horizon des événements et à l'intérieur de l'horizon des événements.
Au-delà de l'horizon des événements, la gravité se comporte comme d'habitude. L'espace est courbé par la présence de cette masse, donnant à tous les objets de l'univers une accélération dans le sens de la singularité centrale. Si nous commençons à une grande distance du trou noir au repos et laissons tomber l'objet à l'intérieur, que voyons-nous?
Supposons que nous soyons capables de rester immobiles. Dans ce cas, nous verrons comment l'objet est lentement mais avec une accélération s'éloignant de nous, se dirigeant vers ce trou noir. Il accélère vers l'horizon des événements tout en conservant sa couleur. Mais alors quelque chose d'étrange se produit. L'objet semble ralentir, s'estomper et s'estomper, puis devient de plus en plus rouge. Mais cela ne disparaît pas complètement. Au contraire, il semble se rapprocher de cet état de disparition: il devient moins distinct, plus rouge, et il est de plus en plus difficile de le détecter. L'horizon des événements est comme l'asymptote de la lumière d'un objet: on peut toujours le voir si on regarde de près.
Imaginez maintenant le même scénario, mais cette fois nous n'observerons pas de loin un objet tombant dans un trou noir. Nous nous imaginerons à la place d'un objet qui tombe. Et dans ce cas, nos sensations seront complètement différentes.
L'horizon des événements croît beaucoup plus rapidement que prévu à mesure que l'espace se déforme. L'espace est tellement incurvé autour de l'horizon des événements que nous commençons à voir de nombreuses images de l'univers extérieur, comme s'il était réfléchi et retourné.
Et lorsque nous traversons l'horizon des événements et entrons à l'intérieur, nous voyons non seulement l'univers extérieur, mais une partie de celui-ci à l'intérieur de l'horizon des événements. La lumière que nous recevons passe à la partie violette du spectre, puis revient au rouge, et nous tombons inévitablement dans la singularité. Dans les derniers instants, l'espace extra-atmosphérique semble étrangement plat.
L'image physique de ce phénomène est complexe, mais les calculs sont assez simples et directs, et ils ont été brillamment réalisés dans une série d'articles scientifiques rédigés en 2000-2010 par Andrew Hamilton de l'Université du Colorado. Hamilton a également créé une série de visualisations vives de ce que nous voyons lorsque nous tombons dans un trou noir sur la base de ses calculs.
Il y a de nombreuses leçons à tirer de ces résultats, et bon nombre d'entre elles sont contre-intuitives. Essayer de les comprendre nous aidera à changer nos perceptions visuelles de l'espace. Habituellement, nous imaginons l'espace comme une sorte de structure immobile et pensons que l'observateur est tombé quelque part à l'intérieur. Cependant, dans l'horizon des événements, nous sommes constamment en mouvement. Tout l'espace est essentiellement en mouvement comme une bande transporteuse. Il bouge constamment, déplaçant tout en lui-même dans le sens de la singularité.
Il déplace tout si vite que même si nous commençons à accélérer loin de la singularité, ayant une quantité infinie de force, nous tomberons toujours vers le centre. La lumière des objets en dehors de l'horizon des événements nous atteindra toujours de toutes les directions, mais nous, étant à l'intérieur de l'horizon des événements, ne pourrons voir qu'une partie de ces objets.
La ligne qui définit la frontière entre ce que l'observateur voit est appelée cardiodure en mathématiques. La composante du plus grand rayon du cardioïde touche l'horizon des événements, et la composante du plus petit rayon se termine à la singularité. Cela signifie que bien que la singularité soit un point, elle ne relie pas forcément ce qui se passe avec tout le reste. Si vous et moi allons simultanément sur les côtés opposés de l'horizon des événements, alors après l'avoir traversé, nous ne pourrons plus nous voir.
La raison en est dans la structure de l'Univers lui-même, qui est constamment en mouvement. À l'intérieur de l'horizon des événements, l'espace voyage plus vite que la lumière, et donc rien ne peut aller au-delà du trou noir. Pour la même raison, à l'intérieur d'un trou noir, nous commençons à voir des choses étranges, par exemple, de nombreuses images du même objet.
Vous pouvez comprendre cela en posant la question suivante: "Où est la singularité?"
Étant à l'intérieur de l'horizon des événements d'un trou noir, nous, ayant commencé à nous déplacer dans n'importe quelle direction, finirons par nous enterrer dans une singularité. C'est incroyable, mais la singularité apparaît dans tous les sens! Si vous déplacez vos pieds vers l'avant et accélérez, vous verrez vos pieds en dessous de vous et au-dessus de vous en même temps. Tout cela est assez facile à calculer, même si une telle image semble être un paradoxe frappant. En attendant, nous ne considérons qu'un cas simplifié: un trou noir qui ne tourne pas.
La première photographie d'un trou noir et de son halo de feu.
Passons maintenant à la chose la plus drôle en termes de physique et regardons un trou noir qui tourne. Les trous noirs doivent leur origine à des systèmes de matière, comme les étoiles, qui tournent constamment à une vitesse ou à une autre. Dans notre Univers (et en relativité générale), le couple est une propriété conservée de tout système fermé, et il n'y a aucun moyen de s'en débarrasser. Lorsque l'agrégat de matière se réduit à un rayon inférieur au rayon de l'horizon des événements, le moment de rotation, comme la masse, est piégé et piégé à l'intérieur.
La solution est ici beaucoup plus compliquée. Einstein a présenté sa théorie de la relativité en 1915 et Karl Schwarzschild a trouvé la solution pour un trou noir non rotatif au début de 1916, c'est-à-dire quelques mois plus tard. Mais l'étape suivante dans la modélisation réaliste de ce problème - étant donné qu'un trou noir a non seulement de la masse mais aussi du couple - n'a été franchie qu'en 1963 par Roy Kerr, qui a trouvé une solution.
Il existe des différences fondamentales et importantes entre la solution quelque peu naïve et simple de Schwarzschild et la solution plus réaliste et complexe de Kerr. Voici quelques différences surprenantes:
1. Au lieu d'une solution unique à la question de savoir où se trouve l'horizon des événements, un trou noir en rotation a deux solutions mathématiques: un horizon des événements intérieur et extérieur.
2. Au-delà de l'horizon extérieur des événements, il y a un endroit connu sous le nom d'ergosphère, où l'espace lui-même se déplace à une vitesse angulaire égale à la vitesse de la lumière, et les particules qui y pénètrent reçoivent une accélération colossale.
3. Il existe un rapport couple / masse maximal admissible. Si la valeur du couple est trop grande, le trou noir émet cette énergie (par rayonnement gravitationnel) jusqu'à ce que le rapport revienne à la normale.
4. Et le plus frappant est que la singularité au centre du trou noir n'est plus un point, mais plutôt un anneau unidimensionnel, où le rayon de l'anneau est déterminé par la masse et le moment de rotation du trou noir.
Sachant tout cela, pouvons-nous comprendre ce qui se passe lorsque nous entrons dans un trou noir en rotation? Oui, la même chose que d'entrer dans un trou noir non rotatif, sauf que l'espace ne se comporte pas comme s'il tombait dans une singularité centrale. L'espace se comporte comme s'il était tiré autour de la circonférence dans le sens de la rotation. Cela ressemble à un tourbillon. Plus le rapport entre le mouvement de rotation et la masse est élevé, plus la rotation se produit rapidement.
Cela signifie que si nous voyons quelque chose tomber vers l'intérieur, nous remarquerons comment ce quelque chose devient rouge et disparaît progressivement, mais pas seulement. Il est comprimé et se transforme en anneau ou en disque dans le sens de la rotation. Si nous entrons, nous serons encerclés comme sur un carrousel fou, aspirés au centre. Et quand on atteindra la singularité, ce sera sous la forme d'un anneau. Différentes parties de notre corps tomberont dans une singularité sur l'ergosurface interne du trou noir de Kerr dans différentes coordonnées spatiales. À mesure que nous approchons de la singularité de l'intérieur de l'horizon des événements, nous perdrons progressivement la capacité de voir d'autres parties de notre corps.
L'information la plus importante à tirer de tout cela est que la structure de l'espace elle-même est en mouvement; et l'horizon des événements est défini comme l'endroit où vous, même avec la capacité de voyager à la limite de la vitesse cosmique la plus élevée, qui est la vitesse de la lumière, et dans n'importe quelle direction, tomberez toujours sur une singularité.
Les rendus d'Andrew Hamilton sont les meilleures et les plus précises simulations scientifiquement de ce qui se passe lorsque vous frappez un trou noir. Ils sont si contre-intuitifs et si paradoxaux que je ne peux que vous recommander une chose: regardez-les encore et encore jusqu'à ce que vous vous trompiez en pensant que vous les comprenez. C'est un spectacle merveilleux et fantastique. Et si l'esprit d'aventurisme en vous est si fort que vous décidez d'entrer dans un trou noir et de pénétrer dans l'horizon des événements, ce sera la dernière chose que vous verrez!
Ethan Siegel
