Halloween est un moment pour être hanté par des fantômes, des gobelins et des goules, mais rien dans l’univers n’est plus effrayant qu’un trou noir.
Les trous noirs – des régions de l’espace où la gravité est si forte que rien ne peut s’échapper – sont un sujet brûlant dans l’actualité ces jours-ci. La moitié du prix Nobel de physique 2020 a été décerné à Roger Penrose pour son travail mathématique montrant que les trous noirs sont une conséquence inéluctable de la théorie de la gravité d’Einstein. Andrea Ghez et Reinhard Genzel ont partagé l’autre moitié pour avoir montré qu’un énorme trou noir se trouve au centre de notre galaxie.
Les trous noirs font peur pour trois raisons. Si vous tombiez dans un trou noir laissé par la mort d’une étoile, vous seriez déchiqueté. De plus, les trous noirs massifs vus au centre de toutes les galaxies ont un appétit insatiable. Et les trous noirs sont des endroits où les lois de la physique sont effacées.
J’étudie les trous noirs depuis plus de 30 ans. En particulier, je me suis concentré sur les trous noirs supermassifs qui se cachent au centre des galaxies. La plupart du temps, ils sont inactifs, mais lorsqu’ils sont actifs et mangent des étoiles et du gaz, la région proche du trou noir peut surpasser toute la galaxie qui les héberge. Les galaxies où les trous noirs sont actifs sont appelées quasars. Avec tout ce que nous avons appris sur les trous noirs au cours des dernières décennies, il reste encore de nombreux mystères à résoudre.
Mort par trou noir
On s’attend à ce que des trous noirs se forment lorsqu’une étoile massive meurt. Une fois que le combustible nucléaire de l’étoile est épuisé, son noyau s’effondre à l’état de matière le plus dense imaginable, cent fois plus dense qu’un noyau atomique. C’est tellement dense que les protons, les neutrons et les électrons ne sont plus des particules discrètes. Comme les trous noirs sont sombres, ils se trouvent lorsqu’ils tournent autour d’une étoile normale. Les propriétés de l’étoile normale permettent aux astronomes de déduire les propriétés de son compagnon sombre, un trou noir.
Le premier trou noir à être confirmé était Cygnus X-1, la source de rayons X la plus brillante de la constellation du Cygne. Depuis lors, environ 50 trous noirs ont été découverts dans des systèmes où une étoile normale tourne autour d’un trou noir. Ce sont les exemples les plus proches d’environ 10 millions qui devraient être dispersés à travers la Voie lactée.
Les trous noirs sont des tombes de matière; rien ne peut leur échapper, pas même la lumière. Le sort de quiconque tomberait dans un trou noir serait une douloureuse «spaghettification», une idée popularisée par Stephen Hawking dans son livre «A Brief History of Time». Dans la spaghettification, la gravité intense du trou noir vous séparerait, séparant vos os, vos muscles, vos tendons et même vos molécules. Comme le poète Dante a décrit les mots sur les portes de l’enfer dans son poème Divine Comédie: Abandonnez l’espoir, vous tous qui entrez ici.
Une bête affamée dans chaque galaxie
Au cours des 30 dernières années, des observations avec le télescope spatial Hubble ont montré que toutes les galaxies ont des trous noirs en leur centre. Les galaxies plus grandes ont de plus grands trous noirs.
La nature sait faire des trous noirs sur une gamme stupéfiante de masses, des cadavres d’étoiles quelques fois la masse du Soleil aux monstres des dizaines de milliards de fois plus massifs. C’est comme la différence entre une pomme et la Grande Pyramide de Gizeh.
Le sort de quiconque tomberait dans un trou noir serait une douloureuse «spaghettification», une idée popularisée par Stephen Hawking dans son livre «A Brief History of Time».
L’année dernière encore, les astronomes ont publié la toute première image d’un trou noir et de son horizon des événements, une bête de 7 milliards de masse solaire au centre de la galaxie elliptique M87.
Il est mille fois plus grand que le trou noir de notre galaxie, dont les découvreurs ont décroché le prix Nobel de cette année. Ces trous noirs sont sombres la plupart du temps, mais lorsque leur gravité attire les étoiles et les gaz à proximité, ils se transforment en une activité intense et expulsent une énorme quantité de rayonnement. Les trous noirs massifs sont dangereux de deux manières. Si vous vous approchez trop près, l’énorme gravité vous aspirera. Et s’ils sont dans leur phase active de quasar, vous serez explosé par un rayonnement de haute énergie.
Quelle est la luminosité d’un quasar? Imaginez survoler une grande ville comme Los Angeles la nuit. Les quelque 100 millions de lumières des voitures, des maisons et des rues de la ville correspondent aux étoiles d’une galaxie. Dans cette analogie, le trou noir dans son état actif est comme une source de lumière de 1 pouce de diamètre au centre-ville de Los Angeles qui surpasse la ville d’un facteur de centaines ou de milliers. Les quasars sont les objets les plus brillants de l’univers.
Les trous noirs supermassifs sont étranges
Le plus grand trou noir découvert à ce jour pèse 40 milliards de fois la masse du Soleil, soit 20 fois la taille du système solaire. Alors que les planètes extérieures de notre système solaire orbitent une fois tous les 250 ans, cet objet beaucoup plus massif tourne une fois tous les trois mois. Son bord extérieur se déplace à la moitié de la vitesse de la lumière. Comme tous les trous noirs, les énormes sont protégés de la vue par un horizon d’événements. En leur centre se trouve une singularité, un point de l’espace où la densité est infinie. Nous ne pouvons pas comprendre l’intérieur d’un trou noir parce que les lois de la physique s’effondrent. Le temps se fige à l’horizon des événements et la gravité devient infinie à la singularité.
La bonne nouvelle concernant les trous noirs massifs est que vous pourriez survivre en tombant dans un seul. Bien que leur gravité soit plus forte, la force d’étirement est plus faible qu’elle ne le serait avec un petit trou noir et cela ne vous tuerait pas. La mauvaise nouvelle est que l’horizon des événements marque le bord de l’abîme. Rien ne peut s’échapper de l’intérieur de l’horizon des événements, vous ne pouvez donc pas vous échapper ou rendre compte de votre expérience.
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Selon Stephen Hawking, les trous noirs s’évaporent lentement. Dans le futur lointain de l’univers, longtemps après que toutes les étoiles soient mortes et que les galaxies aient été arrachées à la vue par l’expansion cosmique accélérée, les trous noirs seront les derniers objets survivants.
Les trous noirs les plus massifs mettront un nombre inimaginable d’années à s’évaporer, estimé à 10 à la 100e puissance, ou 10 avec 100 zéros après. Les objets les plus effrayants de l’univers sont presque éternels.
Cet article est republié à partir de La conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.
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