Les trous noirs sont encore plus étranges que vous ne l’imaginiez

Éléments

On pense maintenant qu’ils pourraient éclairer des questions fondamentales en physique, résoudre des questions sur les théories d’Einstein et même aider à expliquer l’univers mais en fait ils sont une fiction, une convention dans leur représentation. Ce qui est fascinant c’est que l’humanité bascule dans l’inconnu de sa propre histoire avec des degrés de certitude en matière de probabilités si infimes qu’on en a le vertige .. la variabilité des déterminismes à l’œuvre prend de telles proportions que le matérialisme dialectique a un champ encore plus étendu que l’idéalisme ou la logique formelle qui peut toujours se contenter d’une séparation de l’esprit et de la matière. Parce que si l’on conçoit que, dans le même temps ou se multiplient “les variabilités”, la plupart des certitudes scientifiques du siècle dernier, qui a été lui-même un bouleversement inouï, nous laissent dénués des concepts pour penser l’improbable : on se sent sur le chemin du trou noir, des entrées mais nenni pour la sortie. Le bon côté de l’affaire est l’appel à l’imaginaire, la poésie à la rescousse de l’impression, la mauvaise est que l’incertitude entraine les peurs et les violences… Je dois dire que je ne décolère pas de devoir quitter ce monde au moment où tout devient si passionnant et surtout d’être trop âgée pour faire que je puisse m’impliquer réellement dans l’organisation politique d’une telle aventure dans laquelle déjà depuis de nombreuses années j’ai découvert que l’essentiel était de me demander si je pouvais faire confiance à ce que je voyais, et d’y répondre par la négative. Malgré cela ne pas renoncer et tenter d’établir des critères pour accepter ou non ce qui paraissait engendrer un consensus… Certes ma capacité de conviction s’est avérée faible, politiquement je n’étais pas douée, mais je crois avoir eu le mérite de m’obstiner dans le refus de l’interdiction qui m’était faite de penser un ailleurs… Dans le fond, comme le notait déjà Marc Bloch, il n’y a pas de passion scientifique sans fascination de l’enfant pour l’histoire étrange dont on l’a bercé… Après intervient l’obstination du questionnement et dois-je parfois vous l’avouer le sentiment qu’il y aurait pour moi et ma curiosité juvénile d’autres voies d’accomplissement que cette politicaillerie française dans laquelle je cherche le moins pire parce que si cette réalité imparfaite disparait toute ma passion curieuse n’a plus de sens. (note et traduction de Danielle bleitrach pour histoireetsociete)

Par Rivka Galchen30 mars 2024

Les trous noirs sont, bien sûr, géniaux. Mais, pour les scientifiques, ils sont plus impressionnants. Si un arc-en-ciel est merveilleux, alors comprendre comment toutes les couleurs de l’arc-en-ciel sont présentes, unifiées, dans la lumière blanche ordinaire, c’est encore plus merveilleux. (Bien que, dans son poème « Lamia », John Keats n’était pas d’accord, blâmant la « philosophie froide » pour avoir détissé l’arc-en-ciel.) Ces dernières années, la quantité de données que les scientifiques ont découvertes sur les trous noirs a augmenté de manière exponentielle. En janvier, les astronomes ont annoncé que le télescope spatial James Webb avait observé le plus vieux trou noir à ce jour, un trou noir présent alors que l’univers n’avait que quatre cents millions d’années. (On estime qu’il a maintenant 13,8 milliards d’années.) Récemment, deux trous noirs supermassifs, d’une masse combinée de vingt-huit milliards de soleils, ont été mesurés et il a été démontré qu’ils tournaient étroitement l’un autour de l’autre, mais n’entraient pas en collision, au cours des trois derniers milliards d’années. Et ce ne sont là que les exemples les plus faciles à comprendre pour le public. Pour moi, un trou noir supermassif est sublime ; Pour un scientifique, cela peut aussi être un test d’hypothèses farfelues. « L’astrophysique est un exercice d’expériences incroyables qui ne peuvent pas être réalisées sur Terre », m’a dit Avery Broderick, physicien théoricien à l’Université de Waterloo et à l’Institut Périmètre. « Et les trous noirs sont un laboratoire idéal. »

Broderick dit qu’il étudie les trous noirs parce qu’ils sont très simples, théoriquement et mathématiquement. Comme il l’a expliqué, un trou noir a une masse, une charge électrique et un moment cinétique (ce qui signifie qu’il peut tourner). « Et c’est à peu près tout », a-t-il déclaré. « Leur comportement est extrême, mais l’appareil est quelque chose que nous pensons comprendre. » Une autre façon « simple » de penser à un trou noir est de le considérer comme une quantité extraordinaire de masse dans un espace relativement petit. Il exerce une attraction gravitationnelle si forte que même la lumière ne peut pas s’en échapper. Imaginez la masse de la Terre condensée au volume d’une bille ; Imaginez un million de soleils condensés au volume d’un seul soleil, cela vous donnera une idée d’un trou noir. Certains trous noirs sont formés par des étoiles qui se sont effondrées sur elles-mêmes. On pense que d’autres trous noirs ont été formés par l’effondrement vers l’intérieur d’énormes nuages de gaz. (Il y a aussi d’autres théories.) Regarder « à l’intérieur » d’un trou noir – d’où aucun photon, onde ou rayon ne revient jamais – nécessite une créativité considérable. L’intérieur d’un trou noir ne peut être déduit que des changements extérieurs à celui-ci. Les trous noirs actifs sont entourés d’une luminosité intense et d’une chaleur d’un milliard de degrés, dégagée par la matière qui tombe vers eux – pensez au feu d’un astéroïde entrant – tandis que le trou noir lui-même est impensablement froid, une infime fraction de degré au-dessus du zéro absolu.

C’est dans ces objets simples et farfelus, a expliqué Broderick, « que la physique du XXe siècle s’effondre ». Mais qu’est-ce que la physique du XXe siècle qui est censée s’effondrer ? Fondamentalement, il y a la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein (qui a apporté une correction minuscule mais profonde au concept de gravité d’Isaac Newton), et il y a la mécanique quantique. « La relativité générale est considérée comme la théorie du très grand et du massif, et la mécanique quantique est la théorie du très petit ou du très froid », a déclaré Broderick. Les trous noirs sont massifs (relativité générale) et froids (mécanique quantique). Mais, lorsque les scientifiques tentent d’utiliser ces théories pour décrire ce qui se passe à l’intérieur d’un trou noir, les implications sont, comme l’a dit un autre astrophysicien, « un désastre ». Ou, comme l’a dit Broderick, les théories « donnent des réponses très différentes ».

Certains termes scientifiques ont plus de charisme que d’autres. Le chat de Schrödinger, la matière noire, le modèle de l’atome sont plus évocateurs que les « états propres », les « étoiles à neutrons » ou les « ribosomes ». « J’ai cherché le bon terme pendant des mois, j’y ai réfléchi dans mon lit, dans la baignoire, dans ma voiture, partout où j’avais des moments de calme », a déclaré un jour le regretté physicien John Wheeler, à propos de la recherche d’un meilleur langage pour ce qu’on appelait alors un « objet gravitationnellement complètement effondré ». Wheeler, qui lisait aussi de la poésie, aimait imaginer un langage vivant pour de nouveaux concepts en physique. C’est à Wheeler que nous devons les « trous de ver », « l’univers participatif » et « l’écume quantique » – des noms qui portent quelque chose de l’esprit de ce qu’ils décrivent.

En 1967, Wheeler a assisté à une discussion sur la récente découverte par l’astrophysicienne Jocelyn Bell des pulsars, des objets célestes qui émettent des radiations. La discussion s’est concentrée sur ce qui a causé ce curieux phénomène. Un « objet complètement effondré » était une explication. Lorsque Wheeler parlait, il utilisait ce terme encombrant à plusieurs reprises avant de se retrouver à dire simplement « trou noir ». Le nom est resté. (C’est, en tout cas, l’une des histoires d’origine – le terme avait été utilisé dans des articles quelques années plus tôt, et on dit aussi qu’il a été crié comme une suggestion à Wheeler par un participant à la conférence.)

Pour la plupart des gens, le nom évoque ce que l’astrophysicien Saul Perlmutter, lauréat du prix Nobel, a appelé « l’aspect Dark Vador » des trous noirs : les objets sont « mortels, silencieux, tout-puissants et menaçants ». La compréhension populaire des trous noirs, bien qu’elle ne soit pas précise, a la précision que nous associons à la poésie que Wheeler aimait lire. « Non seulement il avale tout ce qui s’approche trop près de lui, mais personne ne vit pour raconter l’histoire… il y a des empreintes de pas qui mènent à l’intérieur, et aucune empreinte qui mène à l’extérieur », a déclaré Perlmutter, décrivant comment les non-spécialistes pourraient les penser. « Si les trous noirs n’étaient pas réels, je pense que les auteurs de science-fiction auraient voulu les inventer. »

Il y a cent ans, presque personne ne croyait que les trous noirs étaient réels, pas même Einstein, qui a écrit les équations qui les prédisaient. Il a dit qu’ils étaient impossibles, une bizarrerie des mathématiques. En 1935, lors d’une réunion de la Royal Astronomical Society, le jeune astrophysicien Subrahmanyan Chandrasekhar a présenté ses travaux, qui suggéraient, au contraire, que ce qui était impossible était essentiellement que les trous noirs n’existaient pas. Sir Arthur Eddington, l’un des anciens les plus respectés de l’astronomie, avait arrangé le discours de Chandrasekhar et savait de quoi il allait parler, et il s’était programmé pour parler immédiatement après. Eddington, qui était poli, ouvert d’esprit et encourageant pour les jeunes scientifiques, a rejeté l’idée de Chandrasekhar comme ridicule, en disant : « Il devrait y avoir une loi de la nature pour empêcher une étoile de se comporter de cette manière absurde ! » Le point de vue d’Eddington l’emporta ; Parler de l’effondrement stellaire est devenu un excellent moyen de ne pas être pris au sérieux.

Les décennies ont passé. Puis quelques choses étranges ont été remarquées. Les astronomes ont commencé à voir quelque chose au centre des galaxies si brillante qu’elle a éclipsé toutes les autres étoiles de la galaxie réunies. (C’était l’énergie des choses tombant dans un trou noir.) Ailleurs, des rayons cosmiques ont été détectés à partir d’une partie du ciel appelée Cygnus X-1, selon un schéma qui semblait inexplicable. En fin de compte, le concept de trous noirs en est venu à rendre compte et à unifier ces observations déroutantes et apparemment disparates. Nier l’existence des trous noirs est devenu plus gênant que de l’accepter. Dans les années 1970, Stephen Hawking avait fait un pari avec Kip Thorne, un collègue physicien, sur la question de savoir si les rayons X cosmiques provenant de Cygnus X-1 pouvaient vraiment être le résultat d’un trou noir. Hawking paria que non, bien qu’il ait fait le pari de contrebalancer le résultat qu’il voulait être vrai ; Il avait passé des années à étudier les trous noirs. Ce n’est qu’en 1990 que suffisamment de preuves ont été accumulées pour régler le pari en faveur de Thorne. (Le paiement était un abonnement à Penthouse ; si Hawking avait gagné, il aurait reçu le magazine satirique Private Eye.)

À partir de là, les connaissances se sont accélérées. Non seulement les trous noirs étaient réels, mais un trou noir géant était au centre de notre galaxie – en fait, au centre de chaque galaxie – en fait, non seulement au centre des galaxies, mais partout dans celles-ci, notre Voie lactée abritant à elle seule plusieurs millions de galaxies. Et non seulement il y a un nombre impensable de trous noirs, mais parfois ils entrent en collision, envoyant de minuscules ondulations d’ondes gravitationnelles à travers l’univers. En 2015, les scientifiques de ligo, un observatoire dont la construction avait nécessité des décennies de rêves, de conception et de révision, ont mené une expérience qui a détecté ces ondes gravitationnelles en quelques jours. Les chercheurs ont décrit ce qu’ils ont observé, de manière évocatrice, comme des ondulations dans le tissu de l’espace-temps.

Les ondes gravitationnelles émises par les trous noirs en collision émettent un son – ou se traduisent en un son – quelque chose comme une cloche qui sonne. « Vous pouvez dire si je tape sur ce bureau, ou si je tape sur le sol », m’a dit Will Farr, un astrophysicien, dans son bureau lumineux du Flatiron Institute, à Manhattan. « Si j’avais des instruments de musique, ça sonnerait plus joliment, mais on pourrait aussi savoir si c’est une trompette, un trombone, une batterie ou une clarinette, même quand ils font la même note. »

Le son émis lorsque vous frappez un objet, ou que vous tirez un arc sur lui, ou que vous soufflez de l’air dans une anche qui lui est connectée, contient des informations sur la forme, la composition du matériau et la température de l’objet. « Vous pouvez identifier un instrument en écoutant ce que nous appelons le spectre, c’est-à-dire les différentes fréquences des modes qui sont excitées lorsque vous le frappez », a déclaré Farr. Les trous noirs ont aussi des modes, bien qu’ils rayonnent sous forme d’ondes gravitationnelles, et non d’ondes sonores. Donc, si vous martelez un trou noir, par exemple, en théorie, vous pourriez en dire pas mal à ce sujet. Deux trous noirs qui entrent en collision font en effet ce martèlement que les scientifiques ne peuvent pas faire eux-mêmes – une expérience dans le cosmos.

Farr a décrit le moment de la collision entre deux trous comme formant une forme comme une « cacahuète noire », qui finit par s’installer en un seul trou noir fusionné. « Ringdown » est le terme utilisé pour décrire à la fois cette fusion finale et le « son » – les ondes – qu’elle émet. Les ondulations d’un ringdown, si elles sont enregistrées avec suffisamment de précision, pourraient raconter l’histoire d’un trou noir : son spin, sa masse et sa charge, et peut-être des informations sur l’anneau de gaz chaud d’un million de degrés à l’extérieur de celui-ci. « Fondamentalement, il n’y a actuellement aucun autre moyen de sonder cette région de l’espace-temps qu’avec des ondes gravitationnelles », a déclaré Farr. Les ondes lumineuses, les ondes radio, les rayons X – aucune de ces façons de lire l’univers ne permet aux scientifiques de voir aussi loin vers l’horizon d’un trou noir. « C’est l’une des raisons pour lesquelles il est révolutionnaire d’avoir cet outil. »PUBLICITÉhttps://fa7d001d1452b5508863e31cb657eacb.safeframe.googlesyndication.com/safeframe/1-0-40/html/container.html

Ringdown peut être utilisé par les chercheurs pour tester si la relativité générale décrit avec précision les trous noirs. Si c’est le cas, les tonalités de sonnerie sortiront dans un sens ; Si ce n’est pas le cas, ils ne le feront pas. « En examinant les écarts en détail, ton par ton, vous pouvez essayer de comprendre d’où vient l’écart par rapport à la relativité générale », a déclaré Farr.

Il faudra un certain temps avant que le public ait une « idée » des ondes gravitationnelles, ou de la façon dont les trous noirs unifient ou non la mécanique quantique et la relativité générale. Mais ces idées continuent de filtrer dans l’imagination du public, même si c’est de manière floue. En 2020, l’astrophysicienne Andrea Ghez, de l’Université de Californie à Los Angeles, et un collègue ont reçu un prix Nobel pour avoir suivi la trajectoire d’objets près du centre de notre galaxie avec suffisamment de détails pour indiquer qu’il doit y avoir un trou noir supermassif à cet endroit. En 2014, grâce à un projet ingénieux et peu financé mené par des centaines de scientifiques, l’Event Horizon Telescope (E.H.T.) a été assemblé, dans le but de « photographier » un trou noir. L’E.H.T. n’est pas un télescope mais un réseau de huit télescopes et maintenant de onze, répartis sur toute la planète. Ensemble, les télescopes fonctionnent comme s’il s’agissait d’un seul télescope avec une lentille de la taille de la Terre. L’E.H.T. a recueilli des données sur un trou noir lointain, puis sur un trou noir plus proche au cœur de la Voie lactée. Des images des deux trous noirs, ou plutôt de l’anneau de matière tombant dans les trous noirs, sont apparues.

Pour partager le travail avec le grand public, les scientifiques ont traduit les données en images étonnantes qui ont été publiées dans le monde entier. Parce que ce que les télescopes ont « vu » est à des longueurs d’onde en dehors du spectre visible à l’œil humain, les scientifiques de l’E.H.T. ont pris des décisions sur, par exemple, la couleur à utiliser pour représenter la chaleur extrême du plasma autour de l’horizon des événements. (Même si les flammes bleues sont plus chaudes que les flammes rouge orangé, ils ont choisi une couleur rouge orangé.) Un certain nombre de scientifiques avec qui j’ai parlé des images étaient gentiment indifférents, disant qu’elles n’ajoutaient rien à leur compréhension fondamentale des trous noirs. La plupart ont été plus impressionnés par les moyens créatifs de collecte des données que par les images elles-mêmes. (En revanche, pour une certaine foule, la forme d’onde qui est apparue lorsque ligo a détecté des ondes gravitationnelles est un tatouage populaire.) Pour d’autres terriens, cette obscurité, entourée de son anneau de feu brûlant, avait la qualité intime d’un Polaroïd, mais l’un des extraterrestres que nous appelons notre univers.

Broderick, qui a été l’un des premiers physiciens théoriciens à rejoindre l’E.H.T., m’a dit que, pour les scientifiques, l’adage « voir c’est croire » n’est pas toujours vrai ; Les scientifiques doivent souvent décider s’ils peuvent faire confiance à ce qu’ils voient. Il a présenté l’E.H.T. comme contribuant à la fois à l’impact sociétal et à l’impact scientifique. C’était « agréablement nouveau de travailler sur quelque chose dont je peux parler à ma belle-famille et à ma mère », a-t-il déclaré. Il a souligné qu’on estimait que la moitié de la population mondiale avait vu la première image de trou noir : « En fait, je suis un peu curieux ; À quand remonte la dernière fois qu’autant de journaux ont eu la même chose en première page ? Nous avons tous partagé cette expérience ensemble, et il y en a très peu, et la plupart d’entre elles sont négatives. Il a vu l’E.H.T. comme une chance de rendre une partie de l’histoire de la physique réelle et visible.

Enfant, Broderick regardait « Star Trek », « Doctor Who » et « tout ce qui était aventureux », a-t-il dit, avec son père, à qui il rendait visite en été et en vacances. « Il enregistrait ces films et ces émissions en prévision de ma venue, alors nous regardions en rafale avant que cela ne se produise », a-t-il déclaré. Son père était tétraplégique et aimait la photographie et le cinéma. Broderick m’a dit que sa vision de « Star Trek » n’est pas sans rapport avec son travail de physicien théoricien. Dans chaque épisode, dit-il, Starfleet a voyagé dans de nouveaux endroits incroyables, et a vu quelque chose de différent, et c’était l’aventure. « Une partie de ce qui m’a attiré vers l’astrophysique était que Starfleet n’existait pas. Mais j’ai l’occasion de voyager dans l’univers avec des télescopes, de gros ordinateurs, des tableaux noirs, des tableaux blancs, de la craie, etc. ♦https://fa7d001d1452b5508863e31cb657eacb.safeframe.googlesyndication.com/safeframe/1-0-40/html/container.html

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Rivka Galchen, rédactrice au New Yorker, contribue à la fiction et à la non-fiction du magazine depuis 2008. Son roman le plus récent s’intitule « Tout le monde sait que votre mère est une sorcière ».