Les dix commandements du trou noir

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Ils sont partout. Et vous les connaissez forcément, sans jamais, pourtant, les avoir vus. L'un d'entre eux est même, à en croire Wired, l'une des guest stars du très attendu Interstellar, en salle le mercredi 5 novembre 2014. Matière, lumière, cinéma: les trous noirs attirent tout et tout le monde.

Une attraction d'autant plus forte que ces entités cosmiques sont souvent mal connues, jamais observées directement voir pas totalement avérées... De quoi évidemment générer son lot de fantasmes et de rêves, d'une plus qu'hypothétique destruction de la Terre au fol espoir du voyage dans le temps.

Si les trous noirs vous ont toujours fasciné sans que vous ne les compreniez totalement, en voici les dix commandements:

1. On est quasiment sûr qu'ils existent
2. Le trou noir, tu ne verras pas
3. Nés des étoiles ou au coeur des galaxies, tu les trouveras
4. Qui tombe dans un trou noir, en spaghetti finira
5. Mais ils ne nous dévoreront pas
6. Un long voyage dans l'espace peut-être tu feras...
7. ... ou le temps
8. Mais personne ne le verra
9. Et de toute façon, on ne sait pas
10. Et pour demain, ce n'est pas

Bonus: notre univers est peut-être niché dans un trou noir d'un autre univers... Aaaah!

1.On est quasiment sûr qu'ils existentQuasi...

N'en déplaisent à certains qui penseraient le contraire, «les trous noirs ne sont plus spéculatifs en astrophysique aujourd'hui», affirme Jean-Pierre Luminet, identifié comme l'un des plus grands spécialistes français des trous noirs, qui officie désormais du côté du Laboratoire d'Astrophysique de Marseille.

Il faut dire que Stephen Hawking himself, le célèbre physicien et spécialiste de la chose, a semé le trouble en février dernier en écrivant que «les trous noirs n'existent pas». Notre expert, qui glisse, au passage, bien connaître le personnage («qui a l'habitude de ce genre de déclaration fracassante»), précise que la formule est un poil plus complexe que ce qu'elle semble vouloir laisser entendre.

Qu'est-ce alors qu'un trou noir? Pour commencer, il s'agit d'un «corps tellement condensé, au champ gravitationnel tellement intense, qu'il empêche toute matière et tout rayonnement de s'échapper», répond Jean-Pierre Luminet dans son livre De l'infini... Un endroit de l'espace où la gravité (vous savez, la force d'attraction que va exercer par exemple la Terre, ou tout autre objet, sur n'importe quel corps dans sa zone d'influence) est tellement forte que tout est irrésistiblement attiré vers ce point.

Pour se faire une idée de cette concentration dingue, Stéphane Corbel, professeur à l’université Paris Diderot et membre du laboratoire AIM d'astrophysique, explique que pour être un trou noir, la Terre devrait avoir... la taille d'une noisette!

Et quand les scientifiques disent que tout est comme aimanté vers ce point, ils ne plaisantent pas: la matière, la lumière mais aussi «la fabrique même du temps et de l'espace s'est courbée sur elle-même, emportant les issues de secours avec elle», poursuit un autre physicien médiatique, Neil deGrasse Tyson, dans son best-seller Death by black hole. Résultat: rien, pas même la lumière, ne peut s'échapper de ce corps céleste. Trou noir donc parce qu'astre invisible.

Sa surface elle-même, dont le nom d'«horizon des événements» suggère pourtant l'existence d'un joli panorama, n'est pas visible: c'est simplement une frontière géométrique, impalpable, qui sépare l'intérieur de l'extérieur du trou noir.

2.Le trou noir, tu ne verras pasOu en tout cas, pas directement

De là, se présente une première difficulté dans la compréhension du trou noir: puisque la lumière ne peut en sortir, impossible de l'observer directement. Une analogie fréquemment utilisée pour les trous noirs, rappelle Jean-Pierre Luminet, est celle d'une bille sur un tissu élastique, tellement lourde qu'elle s'y enfoncerait, jusqu'à disparaître. Ce qui ne veut pas dire qu'elle n'est pas profondément ancrée dans ce tissu: pour la voir, il faut donc pister son empreinte.

«L'observation est possible grâce aux effets du trou noir», explique Jean-Pierre Luminet, rejoint ici par Stéphane Corbel.

Vue d'artiste de Cygnus X-1. En orange, le disque d'accrétion formé autour du trou noir, qui attire irrésistiblement vers lui la matière de sa moitié stellaire, en bleu. | Nasa/CXC/M.Weiss

Ce dernier explique que les trous noirs les plus communs, les trous noirs stellaires, peuvent être observés dans ce qu'on appelle «un système binaire»: un tandem cosmique composé d'un trou noir et d'une étoile.

Or, toujours à en croire notre spécialiste, «la plupart des étoiles sont en couple». Idéal donc pour une observation, car comme le trou noir est irrésistiblement attirant, il arrache de la matière à sa moitié stellaire. Un disque d'accrétion se forme autour de lui, bien visible celui-ci, et émetteur de rayons X.

C'est notamment grâce à ce genre d'empreinte que Cygnus X-1 est devenu le tout premier corps à décrocher l'appellation contrôlée «trou noir».

Aujourd'hui, à en croire nos deux experts, une bonne trentaine d'objets similaires seraient ainsi répertoriés dans la galaxie. Ce qui ne veut pas dire qu'ils sont seuls! Ils seraient en fait probablement «plusieurs centaines de millions» à se cotoyer selon Stéphane Corbel.

3.Nés des étoiles ou au coeur des galaxies, tu les trouverasDes petits, des gros: y en a des tas!

Pour obtenir cette espèce commune de trous noirs, Stéphane Corbel explique qu'il faut qu'une étoile soit à la fois déséquilibrée, à court de carburant, et au minimim trois plus massive que notre soleil. Au miminum. Parce qu'en réalité, le trou noir stellaire peut faire beaucoup mieux que ça:

«On a des trous noirs [stellaires] qui vont de 3 à 25 fois la masse du soleil», explique ainsi l'astrophysicien du CEA.

Mais d'autres sortes de trous noirs, bien plus impressionants que ceux nés d'une étoiles, existent! Comme ceux dits «supermassifs» et pour cause: ces trous noirs là peuvent faire «jusqu'à dix milliards de masse solaire», précise encore l'astrophysicien de l'université Paris Diderot, et on les dégote au centre même des galaxies!

Pour ceux qui auraient du mal à se figurer l'échelle à laquelle on se situe ici, petit pense-bête rapide, emprunté à l'excellente réedition documentaire Cosmos, toujours avec Neil deGrasse Tyson: nous sommes sur la planète Terre, elle-même placée dans le système solaire, lui-même situé, aux côtés de centaines de milliards d'étoiles, dans la galaxie de la Voie Lactée, qui en côtoie elle-même des centaines de milliards d'autres dans l'univers... Et on va s'arrêter là -ce qui fait déjà un sacré paquet de trous noirs.

En 2012, le télescope à rayons X NuSTAR a capturé les premières images de la zone entourant le trou noir supermassif situé au centre de notre galaxie, la Voie lactée | NASA, JPL-Caltech, NuSTAR project

Tout comme dans le cas des trous noirs stellaires, l'existence des trous noirs supermassifs «est quasiment avérée», précise Jean-Pierre Luminet, qui ajoute que c'est l'observation, une fois encore indirecte, des effets de ces colosses invisibles, qui en a permis la découverte:

«Les étoiles autour du centre des galaxies se déplacent à grande vitesse. Une vitesse anormalement élevée par rapport à l’hypothèse qui exclut l'éventualité d'un trou noir.»

Pour info, notre trou noir perso, au coeur de la Voie Lactée, atteindrait presque «quatre millions de masse solaire», écrit Neil deGrasse Tyson dans Death by a black hole.

4.Qui tombe dans un trou noir, en spaghetti le plus souvent finira... Torture cosmique

Pensons alors pratique: que se passerait-il si l'un d'entre nous venait à tomber dans un trou noir? Difficile à dire, vu qu'ils n'ont jamais «mangé personne», poursuit Neil deGrasse Tyson dans son livre, précisément consacré à la question.

Mais si une fois encore, on manque ici d'observation, il est possible, à l'aide de quelques lois physiques, de spéculer sur ce qui arriverait à notre corps dans ces là. Et cette spéculation porte le nom évocateur de «spaghettification». Oui, votre destinée cosmique est ici de vous transformer en mini bouts de spaghetti.

La faute à la force de marée. Comme l'océan sur Terre, votre corps va se voir soumis au même effet qui entraîne ce gigantesque déplacement d'eau périodique sur Terre. Sauf qu'ici, il ne s'agira pas de «la Lune qui attire un peu davantage la partie de la Terre un peu plus proche d'elle», pour reprendre les explication de Jean-Pierre Luminet. Mais de partie de votre corps aspiré vers le trou noir du fait de son énorme gravité (voir point 1.).

Tellement énorme que votre taille, ce mètre et quelques d'habitude si insignifiant à l'échelle de l'univers, revêtira ici une importance qui ne devrait pas vous plaire. Dans l'immédiate proximité d'un trou noir, la gravité qui s'appliquerait sur le bout de vos orteils ne serait déjà plus la même que celle qui s'appliquerait sur le haut de votre crâne. Ce qui se traduirait en un long étirement, «si nous étions faits de caoutchouc», écrit deGrasse Tyson. Sauf que c'est pas vraiment le cas. Le résultat est donc assez cracra:

«Votre corps resterait tel quel jusqu'au moment où la force de marée excèdera les liens moléculaires [ce qui soude les atomes entre eux au sein des molécules qui nous constituent, ndlt] de votre corps. [...] C'est le moment gore où votre corps se sépare en deux segments, au niveau de votre abdomen.»

Et ce n'est pas tout! Selon cette même logique, plus vous tombez, plus la gravité augmente, et plus la différence entre la force qui s'applique sur le bout le plus proche du trou noir, et la force qui s'exerce à l'autre extrémité, est grande... Ce qui veut dire encore et toujours plus de spaghetti! Jusqu'à ce que votre corps soit littéralement atomisé.

5.Mais ils ne nous dévoreront pas Nous n'allons pas être aspirés par un trou noir

Du coup, on vous voit venir, à paniquer et combiner le fait que les trous noirs sont irrésistibles, partout autour de nous et risquant de nous avaler tous tout crus, en nous transformant, en plus, en spaghetti.

Sur ce point, rassurez-vous: l'humanité ne court pas à la catastrophe -ou en tout cas, ce qui est certain, pas à cause des trous noirs. Il n'y en a aucun suffisament proche de la Terre pour que cette dernière succombe à leur charme. Le plus près est d'ailleurs ce bon vieux Cygnus X-1, à un peu plus de 6.000 années-lumière.

Quant à l'autre énorme zygoto au coeur de notre galaxie, dites-vous que sa taille le rend en fait assez inoffensif. Entendons-nous bien sur ce point: ce trou noir supermassif a de quoi faire le ménage autour de lui. Mais la Terre, à quelques 30.000 années-lumière de ce glouton toujours à en croire la Nasa, est suffisamment éloignée pour résister à son attraction.

Comme l'explique Neil deGrasse Tyson en effet, la force de marée (et l'effet spaghetti qui va avec) est d'autant plus forte que la taille de l'objet qui tombe dans un trou noir est conséquente rapportée à la distance qui le sépare du centre du monstre. Résultat: méfiez-vous des petits trous, mais pas trop des gros:

«Si un homme d'1,80 mètre tombe à pieds joints dans un trou noir d'1,80 mètre, alors à l'horizon des événements, sa tête est aussi éloignée du centre du trou noir que de ses pieds. La différence entre la force de gravité s'appliquant sur ses pieds et sur sa tête sera très importante.

Mais si le trou noir fait 2000 mètres de large, alors les pieds de ce même homme ne sera que 0,001 fois plus proche du centre que sa tête, et la différence dans la gravité -la force de marée, sera en conséquence petite.»

6.Un long voyage dans l'espace peut-être tu feras...Tomber dans le trou de ver

Si le trou noir supermassif ne dévore pas l'intrépide qui oserait y mettre les pieds, il lui offrira peut-être un voyage en toute première classe à travers l'univers.

Fantasme ultime des amateurs de science-fiction: le trou noir peut s'avérer être en réalité un passage vers un autre endroit dans le cosmos! C'est ce que les scientifiques appellent un «trou de ver» et, contrairement à ce qu'on pourrait penser, «ils y réfléchissent très sérieusement», nous précise Jean-Pierre Luminet. Qui ajoute:

«Cela ne permettrait pas d'aller plus vite, mais ce serait comme un raccourci, permettant de s'affranchir de la vitesse de la lumière.»

Pour rappel, cette cadence est la plus rapide possible dans l'univers. Or quand on apprend que la Terre est à 500 années-lumière d'un endroit où on irait bien faire un tour (comme Kepler-186 f, cette planète prétendument habitable), c'est un peu décourageant: si la lumière doit mettre la moitié d'un millénaire pour s'y rendre, imaginez nos navettes à nos allures d'escargot! De là, un raccourci ne serait vraiment pas de refus.

7.... ou le tempsAvance rapide, retour en arrière.

Mais il y a plus excitant encore que la perspective de ce métro intergalactique: il y a... le voyage dans le temps!

Un scénario qui a l'air dingue, mais qui là encore, «est crédible», assure Jean-Pierre Luminet, qui précise que «certaines formules mathématiques le prouvent.»

A partir de l'image qui assimile le trou noir à une bille posée sur un tissu élastique, deux possibilités: soit le trou noir a un fond, et on touche alors un point (ce que la science désigne par la mystérieuse notion de «singularité», voir point 9.); soit il n'est pas bouché. Et le trou noir devient alors «une sorte de connexion entre l'espace et le temps».

Une perspective «certainement formidable pour un écrivains de science-fiction, écrit Stephen Hawking dans Petite histoire de l'univers, [mais avec] pour conséquence que plus aucune existence ne serait protégée.» Et le physicien de conclure sur une note pas franchement rassurante:

«En effet, n'importe qui pourrait, lors d'un voyage dans le passé, tuer votre père ou votre mère avant votre conception.»

8.Mais personne ne le verraParce qu'un trou noir est dans notre futur infini

Le seul inconvénient dans tout cela, c'est que si un jour, nous faisions des galipettes dans un trou noir, sans en mourir de surcroît, personne ne le verrait. Parce que, comme le glisse Hawking d'une sentence mystérieuse dans Petite histoire de l'univers:

«La singularité est toujours dans son futur, jamais dans son passé.»

En clair, cela signifie que «tout observateur extérieur au trou noir ne peut être contemporain» à ce qui se produit dans le dit trou noir, décrypte Jean-Pierre Luminet. Rappelez-vous: a priori, rien, pas même la lumière ne s'en échappe! Impossible donc d'avoir un aperçu de ce qu'il se passe à l'intérieur.

Extrait tiré de De l'infini, de Jean-Pierre Luminet

L'astrophysicien explique ce drôle de mécanisme dans son livre De L'infini...: si un astronaute plongeait dans un trou noir, et que l'humanité suivait son périple via une caméra placée à bord d'un vaisseau à proximité, cette dernière percevrait des images de plus en plus étranges. Elles s'étireraient de plus en plus, la trajectoire de la lumière étant de plus en plus déformée sous l'effet du trou noir... jusqu'à ce qu'elles ne puisse plus du tout passer.

Aussi contre-intuitif que cela puisse paraître, la dernière image que l'on percevrait de l'astronaute serait alors celle de sa pose au moment de passer dans son giron. Lui pourra gigoter comme il le souhaite dans son trou, mais son souvenir sera lui «éternellement figé».

«C'est difficile pour nous, reprend Jean-Pierre Luminet, car le temps nous semble absolu. Alors qu'il est élastique selon la relativité.» Le scientifique fait ainsi la différence entre le temps apparent, que nous percevons, et le temps propre au trou noir, celui vécu par l'astronaute qui y chuterait.

On dit que le temps propre du trou noir est «rejeté dans le futur infini» car aucune observation n'est possible pour nous, de l'extérieur.

9.Et de toute façon, on ne sait pasY a encore du boulot les gars!

Au-delà du manque de visibilité, on ne sait de toute façon pas très bien ce qui peut bien se passer au coeur d'un trou noir. Vous vous rappelez de la notion d'horizon des événements, qu'on utilise pour désigner leur surface? L'horizon en question permet surtout de tracer une ligne entre nos lois physiques et celles qui prévalent à l'intérieur du trou noir. Et qui n'ont peut-être rien à voir avec le schmilblick qui organise nos contrées.

Les astrophysiciens n'ont pas de mots assez forts pour bien nous coller dans le crâne qu'un trou noir, c'est bizarre. Neil deGrasse Tyson parle d'un «territoire complètement inexploré» dans l'épisode 4 de Cosmos, où il s'imagine plonger dans l'un de ces monstres. Hawking évoque des conditions internes si instables que la moindre perturbation pourrait en modifier le comportement .

Ce n'est pas pour rien que la théorie classique envisage le trou noir comme une bille environnant ce que la physique désigne par «singularité», soit un «point de courbure infini d’espace et de temps», explique Jean-Pierre Luminet. Le scientifique précise au passage que le concept en lui-même est une aberration du point de vue de la physique, qui mesure tout. Et qui cherche donc, à ce titre, à s'en débarraser, en creusant toujours plus loin dans la connaissance.

10.Mais bon, c'est pas pour demainDes calculs, toujours des calculs

Pas de précipitation donc: si vous songiez à squatter le prochain vol spatial dans l'espoir de trouver un trou noir, parce que les voyages dans l'espace et le temps, c'est hyper cool, gardez en tête que ces scénarios restent à l'état de calculs. De projections. La Nasa n'est pas en train de construire un vaisseau pour aller explorer d'éventuels trous de vers qui, de toute manière, sont déjà bien trop loin de la Terre pour être atteints.

Comme le dit Stéphane Corbel avec philosophie:

«Dans les trous noirs, il y a aussi la catégorie "ce que l'on ne saura jamais". On peut imaginer plein de choses, et c'est très bien... mais de là à vérifier quoi que ce soit...»

∞Bonus: notre univers est peut-être dans un trou noir d'un autre univers lui-même... aaah!Mind-fuck stellaire

Si vous n'en avez pas eu assez, on voulait juste vous préciser, avant de vous quitter, que certains théoriciens (comme un certain Nikodem Poplawski) pensent que notre univers est localisé à l'extrémité d'un trou de ver débouchant sur le trou noir d'un autre univers.

«Peut-être que les immenses trous noirs au centre des galaxies comme la Voie Lactée sont des ponts vers d'autres univers», a ainsi confié Poplawski en 2010 au New Scientist.

On vous laisse méditer.