Les trous noirs sont peut-être les objets les plus mystérieux de l'univers. Ils sont si denses que la force de gravité ne permet à rien, pas même à la lumière, de sortir du trou noir. Les physiciens ont découvert de nombreux trous noirs, allant de petits à supermassifs, pesant des millions ou des milliards de soleil. Une propriété importante de l'horizon des événements - que la lumière ne peut pas le traverser - crée une frontière dans l'espace: une fois que vous la traversez, vous êtes condamné à être dans une singularité. Mais que verrez-vous tomber dans un trou noir? Les lumières vont-elles s'éteindre ou rester? Les physiciens connaissent la réponse et vous allez l'adorer.
Au centre de notre propre galaxie, nous avons vu des étoiles se déplacer autour d'un point central de masse de 4 millions de masses solaires, n'émettant aucune lumière. Cet objet, Sagittaire A *, est un candidat de trou noir clair que nous pouvons déterminer directement en mesurant les étoiles sur son orbite.
Mais il y a des choses très étranges qui se produisent lorsque vous vous rapprochez de l'horizon d'un trou noir, et elles deviennent encore plus étranges lorsque vous le traversez. Il y a une raison pour laquelle vous, après avoir surmonté cette barrière invisible, ne pourrez jamais la quitter. Et peu importe la classe de trou noir qui vous a aspiré, le vaisseau spatial qui essaie de vous emmener hors de là, ou autre chose. La relativité générale est un gros problème, surtout en ce qui concerne les trous noirs. La raison a à voir avec la plus grande réussite d'Einstein: elle a à voir avec COMMENT un trou noir plie l'espace-temps.
Lorsque vous êtes très loin du trou noir, le tissu de l'espace est moins courbé. En fait, lorsque vous êtes très loin d'un trou noir, sa gravité est indiscernable de toute autre masse, que ce soit une étoile à neutrons, une étoile ordinaire ou simplement un nuage diffus de gaz. L'espace-temps peut être courbé, mais tout ce que vous pouvez voir de loin est la présence d'une masse, sans données sur la distribution de cette masse. Mais si vous regardez de vos propres yeux, au lieu d'un nuage de gaz, d'une étoile ou d'une étoile à neutrons, il y aura une sphère absolument noire au centre qui n'émet aucune lumière.
Cette région sphérique, connue sous le nom d'horizon des événements, n'est pas quelque chose de physique, mais plutôt une région d'espace d'une certaine taille d'où la lumière ne peut s'échapper. On pourrait supposer que de loin, la taille du trou noir semble être ce qu'elle est vraiment. En d'autres termes, si vous vous approchez d'un trou noir, il ressemblera à un trou complètement noir sur le fond de l'espace, le long des bords duquel la lumière est déformée.
Pour un trou noir avec la masse de la Terre, cette sphère sera minuscule: environ 1 centimètre de rayon; et pour un trou noir avec une masse du soleil, cette sphère aura un rayon d'environ 3 kilomètres. Si vous redimensionnez la masse (et la taille) à un trou noir supermassif - comme celui au centre de notre galaxie - vous obtenez la taille d'une orbite planétaire ou d'une étoile rouge géante comme Bételgeuse.
Que se passe-t-il lorsque vous vous approchez et que vous tombez finalement dans un trou noir?
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De loin, la géométrie de ce que vous voyez répondra à vos attentes et calculs. Mais au fur et à mesure que vous progressez dans votre vaisseau spatial parfaitement construit et indestructible, vous commencerez à remarquer quelque chose d'étrange à l'approche du trou noir. Si vous divisez la distance entre vous et l'étoile en deux, la taille angulaire de l'étoile semble être deux fois plus grande. Si vous réduisez la distance à un quart, elle sera quatre fois plus grande. Mais les trous noirs sont différents.
Contrairement à tous les autres objets auxquels vous êtes habitués, dont plus ils semblent proches, plus ils semblent grands, le trou noir grossit beaucoup plus rapidement, grâce à l'incroyable courbure de l'espace.
De notre point de vue sur Terre, un trou noir au centre galactique apparaîtra minuscule, son rayon mesuré en secondes de micro-arc. Mais comparé au rayon naïf que vous calculez en relativité générale, il semblera 150% plus grand en raison de la courbure de l'espace. Si vous vous en approchez, lorsque l'horizon des événements aura la taille de la pleine lune dans le ciel, il sera quatre fois plus grand que cela. La raison, bien sûr, est que l'espace-temps se plie de plus en plus à mesure que vous vous rapprochez du trou noir.
A l'inverse, la zone observée du trou noir augmente de plus en plus; au moment où vous en êtes à plusieurs rayons de Schwarzschild, le trou noir atteindra une taille telle qu'il masquera presque toute la vue vers l'avant du navire. Les objets géométriques réguliers ne se comportent pas de cette façon.
Lorsque vous approchez de l'orbite circulaire stable la plus interne - qui correspond à 150% du rayon de l'horizon des événements - vous remarquerez que la vue vers l'avant de votre navire deviendra complètement noire. Une fois que vous aurez traversé celui-ci exactement, même derrière vous, tout commencera à plonger dans les ténèbres. Encore une fois, cela a à voir avec la façon dont les chemins de lumière de différents points se déplacent dans cet espace-temps très incurvé.
À ce stade, si vous n'avez pas franchi l'horizon des événements, vous pouvez toujours sortir. Si vous appliquez une accélération suffisante loin de l'horizon des événements, vous pouvez laisser sa gravité et retourner dans un espace-temps sûr loin du trou noir. Vos capteurs de gravité vous indiqueront où la pente descendante vers le centre cède la place à un plan où la lumière des étoiles peut être vue.
Mais si vous continuez à tomber vers l'horizon des événements, vous finirez par voir la lumière des étoiles se réduire à un tout petit point derrière vous, changeant de couleur en bleu en raison du décalage gravitationnel du bleu. Au dernier moment, lorsque vous traversez l'horizon des événements, ce point deviendra rouge, blanc, puis bleu lorsque les arrière-plans cosmiques des micro-ondes et des ondes radio se déplacent dans le spectre visible.
Et puis … il y aura des ténèbres. Rien. De l'intérieur de l'horizon des événements, aucune lumière de l'univers extérieur ne peut atteindre votre vaisseau. Vous allez maintenant réfléchir aux puissants moteurs de votre vaisseau et réfléchir à la manière dont vous pourriez vous échapper de ce piège avec leur aide. Vous vous souviendrez dans quelle direction se situait la singularité et essayez de déterminer le gradient gravitationnel vers elle. Ceci à condition qu'il n'y ait aucune autre matière ou lumière derrière ou devant vous.
Étonnamment, même si beaucoup de lumière tombe en dehors de l'horizon des événements avec vous - vous verrez "la moitié" de l'Univers visible - vous aurez également des capteurs gravitationnels à bord. Et dès que vous franchissez l'horizon des événements, avec ou sans lumière, quelque chose d'étrange va se passer.
Vos capteurs vous diront que le gradient gravitationnel qui va vers la singularité sera partout, dans toutes les directions. Même dans le sens opposé à la singularité.
Comment est-ce possible?
Et comme ça, parce que vous êtes au-delà de l'horizon des événements, juste là. Tout rayon de lumière que vous rayonnez maintenant ira vers la singularité; vous êtes trop profondément à l'intérieur du trou noir pour qu'il aille ailleurs.
Combien de temps faut-il après avoir traversé l'horizon dans un trou noir supermassif pour être en son centre? Croyez-le ou non, même si l'horizon des événements peut avoir un diamètre d'une heure-lumière dans notre cadre de référence, il ne faut qu'environ 20 secondes pour atteindre la singularité. L'espace fortement incurvé est une chose effrayante.
Le pire, c'est que toute accélération vous rapprochera encore plus rapidement de la singularité. Il est impossible d'augmenter le temps de survie à ce stade. La singularité existe dans toutes les directions, où que vous regardiez. La résistance est futile.
Ilya Khel
