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Les trous noirs : des laboratoires d’étude pour l’univers

Dossier - Au-delà du Big Bang : balade en cosmologie
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La théorie du Big Bang en cosmologie est satisfaisante à bien des égards, mais ne répond pas à des anomalies observées, comme l’énergie et la matière noires. L’état actuel des connaissances sur l’origine de l’univers et les nouvelles pistes des théoriciens sont présentés dans ce dossier.

  
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Les trous noirs sont des zones où la gravitation est si intense que même la lumière ne peut s'en échapper. Leur surface, que l'on nomme « horizon », n'est pas une cloison matérielle, mais une simple limite mathématique : une fois celle-ci franchie, plus aucun retour vers l'extérieur n'est envisageable.

Vue d'artiste d'un trou noir. © ESO/M. Kornmesser, Wikimedia commons, CC by 4.0

On peut entrer sans dommage dans un trou noir, rien de particulier n'advient au passage de l'horizon. Mais il est impossible de s'en extraire. Cette vision est correcte, mais insuffisante. Seule la relativité générale permet de vraiment comprendre les trous noirs. Imaginons qu'on lâche une pierre et qu'on la laisse tomber vers un trou noir. Quelle serait sa vitesse lorsqu'elle atteint l'horizon, c'est-à-dire la surface, du trou ? Les équations d’Einstein montrent que cette vitesse serait la plus grande possible, c'est-à-dire celle de la lumière, pour un observateur situé à proximité immédiate du trou noir. En revanche, pour un observateur lointain étudiant la même scène, ces mêmes équations montrent qu'elle serait justement la plus petite possible : la pierre s'immobiliserait lentement à la surface. Quelle est donc la réponse correcte ? Elles le sont toutes deux. Là encore, tout est relatif.

La voûte céleste, telle que la verrait un observateur situé près d'un hypothétique trou noir devant le centre de notre galaxie. À cause de la déflexion de la lumière passant près du trou noir, l'image de la Voie lactée n'est plus rectiligne. De plus, les principales constellations sont très déformées. On peut tout de même reconnaître le Sagittaire et le Scorpion, en haut à gauche, et Alpha et Bêta du Centaure, en bas à droite. Une image secondaire de toute la voûte céleste se trouve enroulée dans un cercle à proximité immédiate de la silhouette du trou noir. © Alain Riazuelo, IAP

Dans les trous noirs, les choses deviennent plus radicalement étonnantes encore. En un sens précis, les changements de signe qui interviennent dans l'équation décrivant la géométrie peuvent s'interpréter comme un échange de l'espace et du temps. Au-delà de l'horizon, à l'intérieur du trou, le temps devient espace et l'espace devient temps. Ces deux concepts si habituellement hétérogènes se troquent l'un pour l'autre. La singularité centrale, cette zone au cœur du trou noir où toute la matière se trouve concentrée, se situe d'ailleurs moins en un lieu qu'à un instant. Le temps lui-même cesse, en quelque sorte, de s'y écouler. Elle est une déchirure temporelle.

Les trous noirs sont des objets essentiellement bien compris. Mais les effets relativistes y sont considérables, et ils constituent donc des lieux idéaux pour mener des expériences de pensée permettant de mieux comprendre -- et parfois même de contraindre -- les théories. De nombreuses avancées et découvertes ont été possibles grâce à ces expériences « virtuelles », où le physicien théoricien se demande : « Que se passerait-il si... ? », sans même avoir besoin de le faire effectivement. Une telle expérience consiste par exemple à s'interroger sur le statut d'une bouteille de gaz jetée dans un trou noir. Le gaz est un ensemble désordonné de molécules. En physique, on quantifie ce désordre -- c'est-à-dire cette information considérable (les positions et vitesses de toutes les molécules) qui est ignorée quand on regarde à grande échelle -- par le concept d'entropie. Si le gaz possède donc une grande entropie et que le trou noir n'en possède pas, cela signifie qu'en jetant la bouteille emplie de gaz dans un trou noir (dont elle ne pourra évidemment jamais être extraite), l'entropie de l'univers aura diminué.

Le physicien Jacob Bekenstein a été le premier à comprendre que les trous noirs possèdent une entropie proportionnelle à leur surface. On ne comprend toujours pas très bien ce que cela signifie, bien que d'importants progrès aient été accomplis grâce à la théorie des cordes et à la théorie de la gravitation quantique à boucles. © Sasson Tiram

Or, la science de la chaleur, ce qu'on nomme la thermodynamique, nous apprend que l'entropie ne peut pas diminuer. Il faut donc supposer qu'en jetant la bouteille dans le trou noir, on fait augmenter l'entropie de ce dernier ! Mais puisque l'entropie rend compte du « désordre », cela signifie que la simplicité des trous noirs -- qui peut pourtant être démontrée en relativité générale -- n'est qu'apparente, et qu'ils sont en réalité des objets très complexes. Et même, sans aucun doute, les plus complexes de l'univers... La mystérieuse entropie des trous noirs est ainsi un défi majeur lancé à la physique théorique.