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Les eaux inconnues des Trous noirs…
L’EAU ET LES MYSTÈRES DE L’UNIVERS
Cet article s’inscrit dans le prolongement du dernier consacré à la découverte d’un océan cosmique gravitant autour d’un quasar aux proportions colossales dans une autre galaxie, à 12 milliards d’années-lumière de nous (voir à ce sujet : La découverte d’un océan cosmique).
On se concentrera ici sur les théories en astrophysique qui s’efforcent de décrire le comportement ainsi que les mécanismes des Trous noirs : ces astres mystérieux qui fascinent tant les scientifiques que les auteurs de science-fiction tant il est vrai qu’ils manifestent la limite de notre compréhension des lois de l’Univers et qu’ils ouvrent le champ de tous les possibles pour la pensée – en particulier et surtout au profit de l’imaginaire.
Le rapport à l’eau, qui est généralement au cœur de nos propos, est donc pour une part moins patent. Pour autant, il n’est pas absent. En effet, l’océan du quasar APM 08279+5255 de taille galactique qui gravite autour d’un Trou noir supermassif (équivalent à plusieurs millions de fois la masse du Soleil) est voué à alimenter ce dernier jusqu’à vraisemblablement multiplier sa taille encore par six.
À cela s’ajoute le fait que sa découverte vient étayer les recherches démontrant que l’eau serait apparue très tôt dans l’Univers : avant la formation des galaxies. Ce qui en ferait un agent décisif du théâtre cosmique par le biais d’une sorte de « cycle de l’eau » se jouant à des échelles stellaires.
Ainsi, la structure du quasar APM 08279+5255 – structure éminemment aqueuse – invite à questionner plus profondément le rôle que l’eau peut jouer dans les mystères les plus fascinants que l’Univers donnent à contempler. Même si, en l’occurrence, cet article ne fera pour l’essentiel que poser des questions, plus qu’il ne pourra apporter de réponses.
1 Les Trous noirs : des astres troublants
Un Trou noir est un astre singulier, lequel a longtemps été considéré comme hypothétique, puisqu’envisagé à la suite des théories d’Einstein bien avant même d’avoir été observé. Ainsi, la première photographie d’un Trou noir – le Trou noir supermassif répondant au doux nom de M87* – a été obtenue le 10 avril 2019, trente ans après la première modélisation numérique réalisée par Jean-Pierre Luminet.
Plus concrètement, il s’agit d’un astre dont la gravité est telle que celle-ci devient capable non seulement de dévier la lumière – en vertu de la nature corpusculaire et pas uniquement ondulatoire de celle-ci – mais plus encore de la dévier vers l’intérieur du champ gravitationnel. Ce qui fait que la lumière elle-même ne peut s’en échapper. On peut dès lors résumer un Trou noir à une sorte de piège cosmique, puisque si la lumière ne peut s’en échapper et que rien ne se déplace plus vite qu’elle, alors rien d’autre ne pourra s’échapper de cet objet.
Le point limite qui fait se courber la lumière vers l’attraction gravitationnelle elle-même délimite l’« horizon des événements ». Au-delà se cache au cœur de tout Trou noir une « singularité » qu’il est impossible d’observer en raison du piège de la gravité qui empêche toute chose d’en sortir.
Cette « singularité » est un point de densité infinie, associé à une courbure de l’espace-temps qui outrepasse les lois de la physique en imposant au temps lui-même une fin. Soit l’anéantissement de toute prédiction du futur qui régit la physique…
On comprend en retour pourquoi le physicien Roger Penrose formule au sujet de l’horizon des événements d’un Trou noir que celui-ci répond à un principe de « censure cosmique », au sens où l’impossibilité de contempler la singularité au cœur de cet astre nous protège des conséquences inimaginables de la faillite de toute prédiction.
De façon plus concrète, c’est l’infinitisation de certains paramètres physiques – comme la densité – qui crée le principe de la singularité en franchissant les lois façonnant la réalité telle qu’on la connaît.
Aussi le physicien Nikodem Poplawski envisage-t-il que cette concentration touchant à l’infini de la matière puisse provoquer un « big bounce » en guise de point de fuite : ce qui ouvrirait sur un autre univers au-delà du Trou noir. Avec l’idée que notre propre Univers pourrait lui-même provenir d’un Trou noir au sein d’un Univers gigogne infiniment vaste.
2 La « mort » des étoiles
Les Trous noirs ne viennent pas de nulle part : ils sont un scénario possible après la « mort » d’une étoile dotée d’une certaine masse une fois qu’elle a épuisé tout son combustible.
Aussi, pour comprendre comment un Trou noir peut apparaître, il faut d’abord comprendre le cycle de « vie » d’une étoile.
Une étoile naît de l’effondrement localisé de nuages stellaires sous l’effet croissant de la gravité : à partir d’une densité critique, c’est la pression formidable qui se trouve exercée par la gravité qui déclenche les réactions nucléaires de fusion des atomes d’hydrogène constituant leur cœur.
Ainsi, le fonctionnement d’une étoile se résume à une lutte en parfait équilibre entre :
- les forces de gravité qui tendent à la contracter
- et, à l’opposé, les réactions thermonucléaires qui tendent à accroître son volume.
C’est ce qu’on appelle la « séquence principale ».
Réciproquement, toute étoile est vouée au bout d’un certain temps à épuiser son combustible (plus ou moins rapidement en fonction de sa masse). Lorsqu’elle « meurt », elle explose alors en supernova avant de voir son cœur s’effondrer sur lui-même selon différents scénarios en fonction de sa masse :
- soit se transformer en naine blanche
- soit en étoile à neutron
- soit encore en Trou noir si les forces gravitationnelles dépassent les autres forces et font s’effondrer son cœur sur lui-même.
Un Trou noir est donc un cas de figure spécifique déterminé par le rapport entre la masse et le rayon de l’astre qui lui donnera vie. Cette limite a été déterminée par le physicien Chandrasekhar, c’est pourquoi l’on parle de la « limite de Chandrasekhar » pour savoir à quel point un astre peut supporter sa propre gravité.
En retour, l’expression « trou noir » est trompeuse dans la mesure où les astres qu’elle désigne sont tout sauf de véritables « trous » au sein desquels ne règnerait qu’un néant effrayant. Ce sont au contraire des entités éminemment compactes et massives, lesquelles compriment la matière en pliant l’espace et le temps d’une façon qui dépasse nos capacités d’entendement et de figuration.
3 L’eau, mère des étoiles (et des Trous noirs) ?
Sur fond de ces éléments, il faut considérer que l’agent principal de métamorphose de l’Univers – à travers la formation des astres et des structures comme les galaxies qui les regroupent – est la gravité. Car c’est cette force qui, en contradiction avec l’expansion initiale du Big Bang (le commencement du temps), a aggloméré la matière, laquelle s’est forgée après l’ère des photons par des effondrements localisés de nuages interstellaires.
Or, c’est là que l’eau apparaît un ingrédient crucial des origines cosmiques de la vie, dès lors qu’elle serait apparue très tôt dans l’Univers. Car les molécules aqueuses au sein de ces nuages ont été un vecteur décisif de leur refroidissement et, par voie de conséquence, un vecteur essentiel des effondrements gravitationnels qui ont présidé à la formation des structures cosmiques – dont les étoiles.
De façon plus précise, en raison de la rotation de la matière souvent associée à un champ magnétique, l’effondrement gravitationnel s’effectue en suivant une direction qui conduit à l’apparition d’un disque en rotation (ainsi que de deux jets de matière le long de cet axe). En plus de nourrir la proto-étoile jusqu’à ce qu’elle atteigne sa masse finale, c’est de ce disque que se forment les planètes, comètes et astéroïdes du système.
L’eau joue là encore un rôle primordial dans cette évolution, d’autant plus qu’elle peut être créée aussi à ce moment par les chocs associés aux phénomènes d’accrétion et d’éjection de matière.
En effet, la présence de glace dans la région plus externe du disque protoplanétaire favorise la croissance des particules, ainsi que la coagulation de poussières qui sont essentielles à la formation des planètes. C’est pourquoi la vapeur d’eau est un moyen de mesurer en astrophysique l’activité de formation stellaire dans des régions trop lointaines pour compter les étoiles.
C’est en ce sens que l’on peut voir l’eau comme une matière qui engendre les étoiles, et par association d’idées, des Trous noirs – puisque ceux-ci représentent leur fin de vie.
Et l’on peut considérer que le rôle décisif de l’eau dans la formation de systèmes planétaires en piégeant d’autres éléments en fait un vecteur d’informations, au sens où elle transmettrait au système en train d’émerger un héritage de nature interstellaire – à la façon d’une mémoire secrète et prodigieuse.
4 Quand la mort n’est pas éternelle…
Pour peu qu’il ait un sens, le terme de « Trou noir » est bien ancré dans les représentations collectives. Mais, en réalité, un tel astre n’est pas plus un trou béant qu’un objet complètement « noir », au sens où il serait défini par une obscurité qui l’invisibiliserait totalement.
Pour comprendre cela, il faut se pencher sur les travaux de Stephen Hawking qui a démontré – à rebours de ses affirmations initiales – que les Trous noirs ne transgressaient pas les lois de la thermodynamique. Et qu’à ce titre ils étaient assujettis au principe d’entropie : ce principe obscur qui traduit le degré de désorganisation d’un système en physique.
Plus précisément, si un Trou noir absorbe de la matière dotée naturellement d’entropie, tout Trou noir doit alors nécessairement voir sa propre entropie croître d’autant, a minima…
Pour le dire de façon relativement simple, l’entropie désigne cette idée que le désordre dans l’Univers est voué à s’accroître systématiquement. Aussi, pour réintroduire de l’ordre, il faut dépenser de l’énergie.
Or, si un Trou noir possède de l’entropie, il doit aussi nécessairement présenter une température – en vertu des lois de la thermodynamique. Ce qui signifie qu’il doit émettre un rayonnement, de la même façon qu’une braise rougeoie et émet un rayonnement, ou que tout objet possède une signature infrarouge.
À ce titre, un Trou noir devrait luire, même faiblement, à partir de ce qui est désigné par le « rayonnement de Hawking » : un rayonnement composé de photons, de neutrinos et de quelques particules plus massives. Les plus petits Trous noirs devraient même rayonner de façon significative en étant en réalité chauffés à blanc !
La conséquence de ce rayonnement est qu’un Trou noir perd de la masse au fil du temps – de plus en plus rapidement à mesure qu’il s’évapore. Or, cette évaporation devrait conduire à la disparition totale de l’astre, en opposition avec l’idée que son effondrement gravitationnel devrait être irréversible – même si l’évaporation totale des plus massifs requerrait une quantité d’années pratiquement inépuisable (jusqu’à 1066 années !).
5 Un objet céleste quantique
Admettre qu’un Trou noir émette un rayonnement, fût-ce à un certain taux (hypothèse qui a été confirmée depuis par de nombreux chercheurs), se présente d’emblée comme une contradiction majeure avec la définition de cet astre telle qu’elle est acceptée dans le cadre de la relativité générale. Puisque celle-ci postule que rien ne peut s’en échapper du fait de la force de la gravité qui s’y infinitise.
Pour résoudre cette contradiction, il faut alors sortir du cadre de la relativité générale et puiser dans l’arsenal analytique de la physique quantique – en particulier la théorie quantique des champs.
Cette théorie suggère en effet la possibilité d’émissions de particules non de l’intérieur du Trou noir mais du bord de son horizon.
Plus concrètement, la théorie des champs démontre l’existence de fluctuations du vide qui produisent à tout moment des paires de particule-antiparticule. En effet, tout champ quantique est soumis au principe d’incertitude, si bien qu’il n’y a jamais d’espace complètement « vide » : sinon tant la valeur du champ que son taux de variation seraient connus (leur deux valeurs étant zéro).
Or, une configuration où l’espace serait complètement vide viendrait à l’encontre du principe d’incertitude qui empêche de déterminer précisément les deux paramètres (on ne peut connaître l’un qu’au détriment de l’autre).
Toujours est-il que ces paires de particule-antiparticule sont vouées à s’annihiler aussitôt à moins qu’une force ne vienne les séparer. Aussi, ce qui rend possible le « rayonnement de Hawking » sont les forces de marée engendrées par le champ gravitationnel du Trou noir.
Ces forces éloignent en effet la particule de son antiparticule avant leur annihilation réciproque. L’une est donc absorbée par le Trou noir et l’autre « émise » en un sens opposé.
Cette démonstration d’une radiation émise par les Trous noirs – censés ne rien émettre – est sans doute la contribution la plus majeure de Stephen Hawking. Car elle est la première formulation d’un dialogue entre physique quantique et relativité générale, lesquelles sont à ce jour des théories encore incompatibles et qui, pour cette raison, suscitent la quête d’une théorie du tout pour décrire de façon logique l’ensemble de la réalité.
6 Le paradoxe de l’information…
Une chose en entraîne souvent une autre… En l’occurrence, une découverte suscite toujours (ou presque) de nouvelles interrogations ; et la découverte du rayonnement de Hawking ne fait pas exception à cette règle.
Car la possible évaporation des Trous noirs a introduit l’enjeu de résoudre un nouveau paradoxe, et non des moindres : le « paradoxe de l’information ». En effet, l’horizon d’un Trou noir stipule un point de non-retour infranchissable : toute information qui s’y trouve absorbée ne pourra jamais en ressortir.
Or, son évaporation signifie à terme la disparition irrémédiable de cette information. Ce qui constitue une violation de ce postulat fondamental en théorie quantique selon lequel il est impossible de détruire une information. Soit l’idée que l’on peut toujours reconstituer un œuf brisé si l’on déroulait l’événement à l’envers.
Cette énigme n’est pas des moindres, puisqu’elle est à même de remettre en question les théories physiques actuellement en vigueur, au sens où la conservation de l’information (l’« unitarité » dans le jargon quantique) est une condition sine qua non de la validité de la mécanique quantique…
C’est donc sur ce problème que s’est penché Stephen Hawking jusqu’à la fin de sa vie en développant l’idée, aux côtés des physiciens Malcolm Perry et Andrew Strominger, que l’information serait préservée en étant encodée à la surface de son horizon sous la forme d’un hologramme plat à trois dimensions (deux dimensions pour l’espace et une dimension pour le temps).
Plus précisément, cette structure holographique correspondrait à une surface de photons sur la limite même du Trou noir : lorsqu’une particule la franchit, elle laisserait une empreinte sur cette surface de lumière en produisant une « super-translation ».
Cette solution holographique a pour conséquence que toute information codée de cette façon sur l’horizon du Trou noir peut ensuite être renvoyée à travers l’Univers (bit par bit) par le biais du rayonnement de Hawking et de ses fluctuations quantiques.
Toutefois, si tel est bien le cas, cette information serait renvoyée de façon chaotique : si on la récupérait, cela reviendrait à chercher le mot « abaliété » dans un dictionnaire dont on aurait récupéré les cendres après son incinération complète.
Le challenge actuellement, pour les scientifiques, consiste à démontrer que les « super-translations » des particules qui franchissent la limite de l’horizon peuvent stocker l’immense quantité d’informations avalée par un Trou noir, et ce dans son intégralité.
Ce qui représente un calcul impliquant aujourd’hui pas moins de 1 050 termes – sur base des connaissances actuelles des lois de la physique.
Le problème demeure que ce « paradoxe » se situe au carrefour de la relativité générale et de la physique quantique. Aussi ne peut-il être résolu que dans le cadre d’une super-théorie : une théorie de la gravité quantique ou la théorie des cordes.
Or, si la solution holographique imaginée par Hawking emporte l’adhésion de la plupart des astrophysiciens, elle demeure spéculative alors qu’aucune de ces deux approches n’est considérée comme pleinement satisfaisante aujourd’hui.
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La compréhension des Trous noirs – ces astres particulièrement déroutants – au cœur de cet article semble reléguer la question de l’eau loin en marge d’autres préoccupations, comme comprendre la gravitation aux échelles quantiques. Laquelle est l’une des grandes questions théoriques de notre époque ; et ce à quoi les physiciens espèrent aboutir à travers la résolution du « paradoxe de l’information ».
Cependant, si le rayonnement de Hawking offre un moyen élégant de résoudre ce paradoxe particulièrement épineux – à condition que sa solution holographique soit prouvée –, alors on voit se dessiner un cycle de l’eau à des échelles cosmiques qui semble mettre au jour une dimension occulte du « destin aqueux » de l’Univers que l’on avait esquissé dans notre article précédent.
En effet, si l’on peut considérer l’eau comme une matière qui engendre les étoiles et, par voie de conséquence, qui engendre les Trous noirs eux-mêmes en favorisant l’œuvre féconde de la gravité, elle est aussi une matière qui doit jouer un rôle plus insaisissable dans leur lente extinction. Du moins en ce qui concerne le Trou noir supermassif autour duquel gravite le quasar APM 08279+5255.
Puisque si l’océan galactique qui le caractérise est voué à alimenter ce dernier jusqu’à multiplier sa taille par six, il faut imaginer en retour la quantité d’informations qui sera encodée de façon holographique à la surface de son horizon et, réciproquement, qui sera ensuite réémise, bit par bit, à travers tout l’Univers. Une information au sujet de laquelle on ne peut ici que spéculer l’impact sur les autres phénomènes cosmiques…
À cet égard, s’interroger sur l’eau dans sa participation intime aux processus les plus mystérieux de l’Univers revient à s’échouer sur les rivages même de notre savoir actuel. Et si l’information émise par tout Trou noir n’est pas de même nature que celle qui fascine les partisans de la dynamisation, il est difficile de ne pas y voir un rapport de contiguïté qui invite à rêver un ensemencement secret de l’Univers, lequel ferait du symbole même de la fin de toute chose (les Trous noirs) en réalité des sources profondes de vie.
