Trou noir - Définition et Explications

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Culture populaire

Quand on parle de « culture populaire » à propos de trou noir, on pense souvent à science-fiction. On y trouve, au cinéma ou dans le domaine littéraire, beaucoup d’inspiration.

Dans les séries

Dans les films

  • Le Trou noir (1979), de Gary Nelson, est un film des studios Disney.

Dans la littérature

  • La Grande Porte, de Frederik Pohl (Frederik Pohl, né le 26 novembre 1919, est un écrivain et un éditeur de...).
  • Une singularité (D'une manière générale, le mot singularité décrit le caractère singulier de quelque chose ou...) nue et ses effets non déterministes sont à la base du livre Radix, de l’auteur américain Alfred Angelo Attanasio (Alfred Angelo Attanasio, né le 20 septembre 1951 à Newark, New Jersey, est un auteur de...), paru en 1981.

En musique

  • La chanson Supermassive Black hole de l'album Black Holes and Revelations (2006) par le groupe Muse
  • La chanson "Beyond The Black Hole" du groupe Gamma Ray
  • La chanson "Into the Black Hole" de Ayreon
  • La chanson "Black Hole Sun (Sun Microsystems (NASDAQ : SUNW) est un constructeur d'ordinateurs et un éditeur de...)" de Soundgarden

En bande dessinée

  • Dans la bande dessinée Universal War One (Universal War One, également appelée UW1, est une série de bande dessinée de...), un trou de ver (Un trou de ver est un « tunnel » reliant un trou noir et un trou blanc.) est au cœur de l'intrigue.

Trous noirs et physique fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.)

Théorèmes sur les singularités

Une question cruciale à propos des trous noirs est de savoir sous quelles conditions ils peuvent se former. Si les conditions nécessaires à leur formation sont extrêmement spécifiques, les chances que les trous noirs soient nombreux peuvent être faibles. Un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) de théorèmes mathématiques (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide...) dus à Stephen Hawking (Stephen W. Hawking, CH, CBE, FRS, FRSA, est un physicien théoricien et cosmologiste anglais,...) et Roger Penrose (Sir Roger Penrose (né à Colchester le 8 août 1931) est un physicien et...) a montré qu’il n’en était rien : la formation des trous noirs (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense...) peut se produire dans une variété de conditions extrêmement génériques. Pour des raisons évidentes, ces travaux ont été nommés théorèmes sur les singularités. Ces théorèmes datent du début des années 1970, époque où il n’y avait guère de confirmation observationnelle de l’existence des trous noirs. Les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) ultérieures ont effectivement confirmé que les trous noirs étaient des objets très fréquents dans l’univers.

Singularités nues et censure cosmique

Au centre d’un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense...) se situe une singularité gravitationnelle. Pour tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) type de trou noir, cette singularité est « cachée » du monde (Le mot monde peut désigner :) extérieur par l’horizon des événements. Cette situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un...) s’avère très heureuse : la physique actuelle ne sait certes pas décrire une singularité gravitationnelle, mais cela a peu d’importance car, celle-là étant à l'intérieur de la zone délimitée par l’horizon, elle n’influe pas sur les événements du monde extérieur. Il se trouve cependant qu’il existe des solutions mathématiques aux équations de la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale...) dans lesquelles une singularité existe sans être entourée d’un horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre...). C’est par exemple le cas pour les solutions de Kerr ou de Reissner-Nordström quand la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) ou le moment cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) dépasse une certaine valeur critique. Dans ce cas, on ne parle plus de trou noir (il n’y a plus d’horizon, donc plus de « trou ») mais de singularité nue. De telles configurations sont extrêmement difficiles à étudier en pratique, car la prédiction du comportement de la singularité reste toujours impossible ; mais cette fois, il influence l’univers dans lequel nous vivons. L’existence de singularités nues a donc pour conséquence l’impossibilité d’une évolution déterministe de l’univers dans l’état des connaissances actuelles.

Pourtant, les trous noirs de Kerr ou de Reissner-Nordström (ainsi que le cas général de Kerr-Newman) ne peuvent pas arriver à leurs valeurs critiques respectives par apport externe de moment cinétique ou de charges électriques. En effet, plus on se rapprocherait de la valeur critique d'un trou noir de Kerr (En astrophysique, un trou noir de Kerr désigne un trou noir en rotation et de charge...), moins un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) externe pourrait augmenter son moment cinétique. De façon comparable, à l'approche de la charge maximale d'un trou noir de Reissner-Nordström, les charges électriques de même signe que celle du trou noir projetées vers celui-ci y parviendraient de plus en plus difficilement en raison de la répulsion électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre...) exercée par le trou noir. Pour amener les charges à pénétrer dans le trou noir, il faudrait les y projeter à une vitesse (On distingue :) relativiste (à cause de la répulsion électrique), ce qui contribuerait à leur conférer une énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) croissante devenant bien supérieure à leur énergie de masse (En 1905, Albert Einstein postule que la masse est une des formes que peut prendre l'énergie. Tout...) (au repos). D'où une contribution à la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) du trou noir, suffisante pour compenser l'augmentation de charge du trou noir. Au final, le rapport charge/masse du trou noir « saturerait » juste en dessous de la valeur critique.

Ces éléments, ainsi que des considérations plus fondamentales, ont conduit le mathématicien (Un mathématicien est au sens restreint un chercheur en mathématiques, par extension toute...) anglais Roger Penrose à formuler en 1969 l’hypothèse dite de la censure cosmique, stipulant qu’aucun processus physique ne pouvait permettre l’apparition de singularités nues dans l’univers. Cette hypothèse, qui possède plusieurs formulations possibles, a été l’objet d’un pari entre Stephen Hawking d’une part et Kip Thorne (Kip Stephen Thorne (né le 1er juin 1940) est un physicien théoricien américain,...) et John Preskill d’autre part, ces derniers ayant parié que des singularités nues pouvaient exister. En 1991, Stuart L. Shapiro et Saul A. Teukolsky montrèrent sur foi de simulations numériques que des singularités nues pouvaient se former dans l’univers. Quelques années plus tard, Matthew Choptuik mit en évidence un ensemble important de situations à partir desquelles la formation de singularités nues était possible. Ces configurations demeurent cependant extrêmement particulières, et nécessitent un ajustement fin des conditions initiales pour mener à la formation des singularités nues. Leur formation est donc possible, mais en pratique extrêmement improbable. En 1997 Stephen Hawking reconnut qu’il avait perdu son pari avec Kip Thorne et John Preskill. Un autre pari a depuis été lancé, où des conditions plus restrictives sur les conditions initiales pouvant mener à des singularités nues ont été rajoutées.

Entropie (En thermodynamique, l'entropie est une fonction d'état introduite en 1865 par Rudolf Clausius...) des trous noirs

En 1971, le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la...) britannique Stephen Hawking montra que la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) totale des horizons des événements de n’importe quel trou noir classique ne peut jamais décroître. Cette propriété est tout à fait semblable à la deuxième loi de la thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur...), avec la surface jouant le rôle de l’entropie. Dans le cadre de la physique classique, on pourrait violer cette loi de la thermodynamique en envoyant de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) dans un trou noir, ce qui la ferait disparaître de notre univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.), avec la conséquence d’un décroissement de l’entropie totale de l’univers.

Pour éviter de violer cette loi, le physicien Jacob Bekenstein proposa qu’un trou noir possède une entropie (sans en préciser la nature exacte), et qu’elle soit proportionnelle à la surface de son horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre...). Bekenstein pensait alors que les trous noirs n’émettent pas de radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se...) et que le lien avec la thermodynamique n’était qu’une simple analogie et pas une description physique des propriétés du trou noir. Néanmoins, Hawking a peu après démontré par un calcul de théorie quantique des champs (La théorie quantique des champs (QFT, abréviation du terme anglais Quantum field theory)...) que le résultat sur l’entropie des trous noirs est bien plus qu’une simple analogie et qu’il est possible de définir rigoureusement une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) associée au rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) des trous noirs (voir ci-dessous).

Utilisant les équations de la thermodynamique des trous noirs, il apparaît que l’entropie d’un trou noir est proportionnelle à la surface de son horizon. C’est un résultat universel qui peut être appliqué dans un autre contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le...) aux modèles cosmologiques comportant eux aussi un horizon comme par exemple l’univers de de Sitter. L’interprétation microscopique de cette entropie reste par contre un problème ouvert, auquel la théorie des cordes (La théorie des cordes est l'une des voies envisagées pour régler une des questions...) a cependant réussi à apporter des éléments de réponse partiels.

Il a été ensuite montré que les trous noirs sont des objets à entropie maximale, c’est-à-dire que l’entropie maximale d’une région de l’espace délimitée par une surface donnée (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) est égale à celle du trou noir de même surface. Ce constat a amené les physiciens Gerard ’t Hooft et ensuite Leonard Susskind (Leonard Susskind (né en 1940) est un physicien américain d'origine juive. Il enseigne la...) à proposer un ensemble d’idées, appelé principe holographique, basé sur le fait que la description de la surface d’une région permet de reconstituer toute l’information relative à son contenu, de la même façon qu’un hologramme (L'hologramme est le produit de l'holographie. Il s'agit historiquement d'un procédé de...) code des informations relatives à un volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) sur une simple surface, permettant ainsi de donner un effet de relief (Le relief est la différence de hauteur entre deux points. Néanmoins, ce mot est souvent employé...) à partir d’une surface.

La découverte de l’entropie des trous noirs a ainsi permis le développement d’une analogie extrêmement profonde entre trous noirs et thermodynamique, la thermodynamique des trous noirs, qui pourrait aider dans la compréhension d’une théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) de la gravité quantique (La gravité quantique est une branche de la physique théorique tentant d'unifier la...).

Évaporation et radiation de Hawking

En 1974, Stephen Hawking appliqua la théorie quantique des champs à l’espace-temps courbé de la relativité générale, et découvrit que contrairement à ce que prédisait la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) classique, les trous noirs pouvaient effectivement émettre une radiation (proche d’une radiation thermique) aujourd’hui appelée rayonnement de Hawking : les trous noirs ne sont donc pas complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou...) « noirs ».

La radiation de Hawking correspond en fait à un spectre de corps noir (En physique, un corps noir désigne un objet idéal dont le spectre électromagnétique ne dépend...). On peut donc y associer la « température » du trou noir, qui est inversement proportionnelle à sa taille. De ce fait, plus le trou noir est important, plus sa température est basse. Un trou noir de la masse de la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de...) Mercure aurait une température égale à celle du rayonnement de fond diffus cosmologique (Le fond diffus cosmologique est le nom donné au rayonnement électromagnétique issu...) (à peu près 2,73 kelvins). Si le trou est plus massif (Le mot massif peut être employé comme :), il sera donc plus froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) que la température du fond et accroîtra son énergie plus vite qu’il n’en perdra via la radiation de Hawking, devenant ainsi encore plus froid. Un trou noir stellaire (Un trou noir stellaire résulte de l'effondrement d'une étoile massive sur elle même. Cet...) a ainsi une température de quelques microkelvins, ce qui rend la détection directe de son évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente...) totalement inenvisageable. Cependant, pour des trous noirs moins massifs, la température est plus élevée, et la perte d’énergie associée lui permet de voir sa masse varier sur des échelles cosmologiques. Ainsi, un trou noir de quelques millions de tonnes s’évaporera-t-il en une durée inférieure à celle de l’âge de l'univers. Alors que le trou noir s’évapore, le trou noir devient plus petit, donc plus chaud. Certains astrophysiciens ont proposé que l’évaporation complète de trous noirs produirait un flash de rayons gamma. Ceci serait une signature de l’existence de trous noirs de très faible masse. Il s’agirait alors de trous noirs primordiaux. La recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) actuelle explore cette possibilité avec les données du satellite (Satellite peut faire référence à :) européen INTEGRAL.

Paradoxe (Un paradoxe est une proposition qui contient ou semble contenir une contradiction logique, ou un...) de l’information

Une question de physique fondamentale encore irrésolue au début du XXIe siècle est le fameux paradoxe de l’information. En effet, en raison du théorème (Un théorème est une proposition qui peut être mathématiquement démontrée, c'est-à-dire une...) de calvitie déjà cité (La cité (latin civitas) est un mot désignant, dans l’Antiquité avant la...), il n’est pas possible de déterminer a posteriori ce qui est entré dans le trou noir. Cependant, vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) d’un observateur éloigné, l’information n’est jamais complètement détruite puisque la matière tombant dans le trou noir ne disparaît qu’après un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) infiniment long. Alors, l’information qui a formé le trou noir est-elle perdue ou pas ?

Des considérations générales sur ce que devrait être une théorie de la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) quantique suggèrent qu’il ne peut y avoir qu’une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) finie et limitée d’entropie (i.e. une quantité maximale et finie d’information) associée à l’espace près de l’horizon du trou noir. Mais la variation de l’entropie de l’horizon plus celle de la radiation Hawking est toujours suffisante pour prendre en compte toute l’entropie de la matière et de l’énergie tombant dans le trou noir… Mais restent de nombreuses questions. En particulier au niveau quantique, est-ce que l’état quantique de la radiation de Hawking est déterminé de manière unique par l’histoire de ce qui est tombé dans le trou noir ? De même, est-ce que l’histoire de ce qui est tombé est déterminée de manière unique par l’état quantique du trou noir et de sa radiation ? En d’autres termes, est-ce que les trous noirs sont, ou ne sont pas, déterministes ? Cette propriété est bien sûr conservée dans la relativité générale comme dans la physique classique, mais pas dans la mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de...).

Pendant de longues années, Stephen Hawking a maintenu sa position originelle de 1975 voulant que la radiation de Hawking soit entièrement thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...), et donc complètement aléatoire, représentant ainsi une nouvelle source d’information non-déterministe. Cependant, le 21 juillet 2004, il présenta un nouvel argument, allant à l’opposé de sa première position. Dans ses nouveaux calculs, l’entropie associée à un trou noir serait effectivement inaccessible à un observateur extérieur. De plus dans l’absence de cette information, il est impossible de relier de manière univoque l’information de la radiation de Hawking (contenue dans ses corrélations internes) à l’état initial du système. Cependant, si le trou noir s’évapore complètement, cette identification univoque peut être faite et l’unitarité est préservée (l’information est donc conservée). Il n’est pas clair que la communauté scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) spécialisée soit absolument convaincue par les arguments présentés par Hawking. Mais Hawking lui-même fut suffisamment convaincu pour régler le pari qu’il avait fait en 1997 avec le physicien John Preskill de Caltech, provoquant ainsi un énorme intérêt des médias (On nomme média un moyen impersonnel de diffusion d'informations (comme la presse, la radio, la...).

En juillet 2005, l’annonce de Hawking a donné lieu à une publication dans la revue Physical Review et fut débattue par la suite au sein de la communauté scientifique sans qu’un consensus net ne se dégage quant à la validité de l’approche proposée par Hawking.

Trous noirs et trous de ver (Les vers constituent un groupe très hétérogène d'animaux invertébrés...)

Schéma d’un trou de ver.

La relativité générale indique qu’il existerait des configurations dans lesquelles deux trous noirs sont reliés l’un à l’autre. Une telle configuration est habituellement appelée trou de ver ou plus rarement pont (Un pont est une construction qui permet de franchir une dépression ou un obstacle (cours...) d’Einstein-Rosen. De telles configurations ont beaucoup inspiré les auteurs de science-fiction (Cette liste référence les auteurs de science-fiction par langue et ordre...) (voir par exemple les références de la section ) car elles proposent un moyen de voyager très rapidement sur de grandes distances, voire voyager dans le temps. En pratique, de telles configurations, si elles sont autorisées par la relativité générale, semblent totalement irréalisables dans un contexte astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche...), car aucun processus connu ne semble permettre la formation de tels objets.

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