Trous noirs : de la matière au néant, il y a Stephen Hawking

Corentin : La mort de Stephen Hawking, le 14 mars dernier, a rappelé à tout le monde, l’importance de ces travaux dans la compréhension de l’univers et notamment sur les trous noirs. C’était aussi quelqu’un qui arrivait à parler au grand public, à vulgariser des concepts mathématiques et physiques très complexes pour nous dire qu’au final les trous noirs sont peut-être une porte vers d’autres univers.
Alors Laura, où vas-tu nous emmener ?
L : Pour le moment, on va rester dans notre bonne vieille galaxie. Et effectivement, je voulais “profiter” de sa mort pour vous parler des trous noirs et d’un phénomène qu’il a mis en lumière et que l’on nomme pour le coup “rayonnement de Hawking”.
C : Et tout ça en 5 minutes ?
L : Haha ! On va essayer.
Avant de rentrer dans le détail de l’évaporation des trous noirs et de la relativité générale, j’aimerais vous rappeler ce qu’est un trou noir.
Un trou noir c’est une région de l’espace, un corps céleste où le champ gravitationnel est tellement fort que rien ne peut s’en échapper que ce soit un objet, de la matière ou la lumière.
C: Il y en a beaucoup ?
L : Il existerait dans l’univers une centaine de millions de trous noirs, ce qui n’est pas tant que ça au final si on compare au nombre d’étoiles présentes, c’est-à-dire une centaine de milliards.
Et dans notre galaxie, entendez la voie lactée, on en a trouvé une vingtaine. Ca semble peu mais ce sont des objets difficilement observables parce qu’en réalité ils sont très petits de là où nous les examinons.
C : Comment les repère t-on ?
L : En fait, les trous noirs ont une influence sur l’environnement à proximité. La trajectoire des étoiles est un indicateur tout comme celle de la lumière.
Par exemple, si on va au centre de notre galaxie, il y a une région où il y a énormément d’étoiles et s’il y en a autant, on l’explique par le fait qu’il y ait une masse très importante en son centre. Un objet qui attire les étoiles et qui les force à graviter autour de lui.
Et comme on connaît la trajectoire de ces étoiles, on peut calculer la masse qu’il faudrait au centre donc, la masse qu’aurait le trou noir pour expliquer ces trajectoires.
C : Ah oui, c’est un peu comme dans une équation quand on doit trouver x pour que tout fonctionne. Et à quoi correspond cette masse alors ?
L : Et bien, on va écouter Alain Riazuelo, astrophysicien à l’institut d’astrophysique de Paris interrogé par Sciences & Avenir.
[SON - Alain Riazuelo - Voyage au coeur d’un trou noir - 18s]
C :
L : L’existence des trous noirs, ou en tout cas son concept a été avancé à la fin du XVIIIe siècle par le français Pierre-Simon Laplace et le britannique John Michell.
Mais ce qui a permis d’approuver cette idée, c’est la théorie de la relativité d’Albert Einstein. Il faudrait une autre chronique d’ailleurs pour expliquer ça. Mais globalement, il a démontré que les lois de l’univers étaient les mêmes partout. Et il fait le lien avec les forces gravitationnelles et l’espace-temps.
Du coup, sur cette base, on a prouvé que les trous noirs sont des objets qui aspirent et dévient la matière et la lumière mais aussi qui dilatent le temps.
C : Humm...D’accord
L : Admettons vous avez un trou noir en face de vous et que vous restez à une distance respectable de sorte à graviter autour sans se retrouver aspiré. Déjà vous aurez une jolie vue de ce trou noir entouré d’un halo lumineux qui déforme votre environnement.
Ensuite, imaginons que vous voulez vous rapprocher, vous allez dépasser l’Horizon. L’horizon c’est une ligne imaginaire, une distance par rapport au centre du trou noir où une fois atteint, tout retour est impossible. Le trou noir va vous attirer inexorablement à lui et vous emmener vers une mort certaine. Et plus exactement l’écartèlement parce que vous n’allez pas subir les mêmes forces sur vos pieds et votre tête. Et comme vous n’êtes pas elastic man, et bien c’est la mort assurée.
C : Charmante image, mais tu veux en venir où ?
L : Alors en fait, le temps ne s’écoule pas de la même façon aux abords du trou noir et passé l’horizon.
Si je me rapproche de l’horizon et que toi, tu restes à distance, t’auras l’impression que je suis dans un état de stase. Et à l’inverse, j’aurai l’impression que tous tes mouvements sont accélérés. Alors que l’un comme l’autre, on aura l’impression que le temps s’écoule normalement.
C : Très bien. Je crois qu’on a bien fait le tour de ce que peut être un trou noir. Mais que vient faire Stephen Hawking dans tout ça ? Je te rappelle que c’est ça que tu m’as vendu au début.
L : J’y viens. Dans les années 70, Stephen Hawking démontre une chose, c’est que les trous noirs rayonnent.
En d’autres mots, il prouve que les trous noirs peuvent émettre, rejeter des particules.
Pour établir cela, il s’aide de plusieurs constantes fondamentales de physique, à savoir la constante de Plank, de boltzmann, de Newton et la vitesse de la lumière. Ces constantes regroupent la gravité, la relativité, de la physique statistique et l’étude du mouvement.
C : ????
L : En gros, il s’appuie sur la physique quantique. La physique quantique c’est l’étude de l’infiniment petit, des particules, des atomes, des molécules et de leurs réactions.
Et donc, Stephen Hawking démontre qu’un trou noir ce n’est pas le néant, ce n’est pas que du vide. Explication par l’astrophysicien Aurélien Barrau qui a eu l’immense générosité de publier sur Youtube l’une de ces conférences.
[SON - Aurélien Barrau - Qu’est-ce qu’un trou noir très simplement ? - Conférence - Rayonnement de Hawking - 26s]
L : Est-ce que tu comprends ?
C :
L : Une dernière chose à savoir c’est que cet événement n’est possible que sur des trous noirs très petits. Déjà en soi, c’est pas très grand mais là il faudrait que ça soit vraiment petit parce qu’il nous faut une certaine température. Et en plus, on n’en a pas encore découvert. Donc a jamais “vu” cette théorie à l’oeuvre. En revanche, elle a été attesté par une expérience avec des trous noirs acoustiques.
C :
L : Pour aller plus loin et pour visualiser davantage, je vous invite à vous rendre sur Youtube. Et notamment l’intégralité des sons que vous avez entendu précédemment.
C’était voyage au coeur d’un trou noir de Science & avenir avec de jolies animations et images de ce qu’il se passe quand on s’approche d’un trou noir.
Et enfin ,“Qu’est-ce qu’un trou noir très simplement ?” d’Aurélien Barrau.
C : Je ne sais pas pourquoi mais je sens que ces trous noirs sont des sujets sans fond qui n’arrêteront jamais d’attirer notre attention dans son orbite. Merci infiniment Laura, à très vite.