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Prix ​​Nobel de physique décerné à trois astrophysiciens pour leurs travaux sur les trous noirs

Le prix Nobel de physique a été décerné mardi à trois astrophysiciens pour un travail qui était littéralement hors du monde, voire de l’univers. Il s’agit de Roger Penrose, un Anglais, Reinhard Genzel, un Allemand et Andrea Ghez, un Américain. Ils ont été reconnus pour leur travail sur les portes de l’éternité connues sous le nom de trous noirs, d’objets massifs qui avalent la lumière et tout ce qui tombe pour toujours dans leurs gueules impitoyables.

Penrose, mathématicien à l’Université d’Oxford, a reçu la moitié du prix d’environ 1,1 million de dollars pour avoir prouvé que les trous noirs doivent exister si la théorie de la gravité d’Albert Einstein, connue sous le nom de relativité générale, a raison.

La seconde moitié a été partagée entre Genzel et Ghez pour leur enquête implacable et de plusieurs décennies sur le monstre noir ici au centre de notre propre galaxie, rassemblant des preuves pour le convaincre d’être un trou noir supermassif.

Ghez n’est que la quatrième femme à remporter le Nobel de physique, après Marie Curie en 1903, Maria Goeppert Mayer en 1963 et Donna Strickland en 2018.

«Je suis tellement ravie», a-t-elle déclaré dans un courriel.

L’Assemblée Nobel a annoncé le prix à l’Académie royale des sciences de Suède à Stockholm.

Plus d’Einstein, moins de mathématiques

Les trous noirs étaient l’une des premières et des plus extrêmes prédictions de la théorie générale de la relativité d’Einstein, annoncée pour la première fois en novembre 1915. La théorie explique la force que nous appelons la gravité, alors que les objets tentent de suivre une ligne droite à travers un univers dont la géométrie est déformée par la matière et l’énergie. En conséquence, les planètes ainsi que les faisceaux lumineux suivent des trajectoires courbes, comme des boules qui tournent autour d’une roue de roulette.

Einstein a été décontenancé quelques mois plus tard lorsque Karl Schwarzschild, un astronome allemand, a souligné que les équations contenaient une prédiction apocalyptique: en effet, entasser trop de matière et d’énergie dans un espace trop petit entraînerait l’effondrement de l’espace-temps en un point. de densité infinie appelée singularité. À cet endroit – si vous pouviez l’appeler un endroit – ni les équations d’Einstein ni aucune autre loi physique n’avaient de sens.

Einstein ne pouvait rien reprocher aux mathématiques, mais il pensait que dans la vraie vie, la nature trouverait un moyen d’éviter une telle calamité.

En 1965, cependant, une décennie après la mort d’Einstein, Penrose a claqué la porte sur les espoirs d’Einstein.

Née en 1931 dans une famille intellectuelle, Penrose est professeur à l’Université d’Oxford. Quand il était enfant, se souvient-il dans une récente interview, son père et son frère jouaient aux échecs mentaux lors de randonnées familiales, et son travail consistait à suivre le tableau.

«Mon travail était le coureur», a-t-il dit, «je prenais les mouvements d’un frère et je courais jusqu’à mon père. Et je viens de faire de l’exercice en courant dans les deux sens.

Mathématicien talentueux, il a inventé une nouvelle façon de représenter l’espace-temps, appelée diagramme de Penrose, qui contournait la plupart des complexités mathématiques de la relativité générale.

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Ses diagrammes sont désormais la lingua franca de la cosmologie. Il a prouvé que si trop de masse s’accumulait dans un endroit trop petit, l’effondrement dans un trou noir était inévitable. À la limite d’un trou noir, appelé horizon des événements, il faudrait aller plus vite que la vitesse de la lumière – la limite de vitesse cosmique reconnue – pour s’évader. Vous ne pourrez donc jamais vous échapper. À l’intérieur de la frontière, le temps et l’espace changeraient de rôle et ainsi toutes les directions conduiraient vers le bas, vers le centre, où la densité deviendrait infinie et où les lois de la physique, telles que nous les connaissions, s’effondreraient.

Il a montré que le trou noir deviendrait une porte d’entrée vers la fin des temps, la fin de l’univers.

Alors qu’ils saluaient la nouvelle, certains astronomes et physiciens ont déploré l’absence de Stephen Hawking, le cosmologiste de l’Université de Cambridge qui était sans doute le plus grand théoricien du trou noir au monde jusqu’à sa mort en 2018, le rendant inéligible au Nobel.

Peu de temps après que Penrose ait fait ses calculs révolutionnaires, Hawking et Penrose ont collaboré en utilisant les mêmes méthodes pour prouver que si la relativité générale avait raison, l’univers devait aussi avoir eu un début – une assez grande découverte.

John Preskill, physicien au California Institute of Technology, a célébré les réalisations de Ghez et des autres scientifiques dans un tweet. Mais il a ajouté que le moment était émouvant.

«Je pense à combien Stephen Hawking aurait aimé partager un prix pour les progrès de la relativité générale», a-t-il déclaré.

Monstre de la voie lactée

Aujourd’hui, les astronomes conviennent que l’univers est parsemé de trous noirs monstrueux, y compris des bêtes qui se cachent dans le cœur de la plupart des galaxies qui sont des millions et des milliards de fois plus massives que le soleil. Ils en ont même pris une photo dans une galaxie à quelque 55 millions d’années-lumière.

Mais plus près de chez nous, au centre de notre galaxie de la Voie lactée, à 26 000 années-lumière d’ici, il y a une faible source de bruit radio appelée Sagittaire A *. En 1971, Martin Rees et Donald Lynden-Bell ont suggéré qu’il s’agissait d’un trou noir supermassif.

Travaillant indépendamment, Genzel et Ghez, et leurs équipes, ont passé les dernières décennies à suivre des étoiles et des nuages ​​de poussière sifflant autour du centre de notre galaxie avec des télescopes au Chili et à Hawaï, essayant de voir si ce royaume sombre et poussiéreux abrite effectivement un trou noir.

Ghez est née à New York le 16 juin 1965. Elle est professeur à l’Université de Californie à Los Angeles et l’un des auteurs du livre pour enfants «You Can Be a Woman Astronomer». Notant mardi qu’elle n’était que la quatrième femme à remporter le prix de physique, elle a déclaré qu’elle espérait inspirer les jeunes femmes.

«C’est un domaine qui a tellement de plaisirs, et si vous êtes passionné par la science, il y a tellement de choses à faire», dit-elle.

Genzel est directeur à l’Institut Max Planck de physique extraterrestre à Garching, en Allemagne, et professeur à l’Université de Californie à Berkeley.

Il a grandi à Fribourg, en Allemagne, dans la Forêt-Noire. En tant que jeune homme, il était l’un des meilleurs lanceurs de javelot d’Allemagne, s’entraînant avec l’équipe nationale pour les Jeux olympiques de Munich de 1972.

Au fil des ans, leurs observations se sont rapprochées de la conclusion que tout ce qui se trouve au centre galactique est sombre et doit avoir une masse équivalente à 4 millions de soleils, afin d’exercer suffisamment d’attraction gravitationnelle pour garder les étoiles et le gaz qui le tournent sous contrôle. .

L’une des étoiles, que Genzel appelle S2 et Ghez appelle S0-2, est une jeune étoile bleue qui suit une orbite très allongée et passe à seulement 11 milliards de miles, ou 17 heures-lumière, de l’embouchure du trou noir putatif chaque 16 ans.

Au cours de ces passages difficiles, l’étoile, tirée autour d’une orbite en forme d’œuf à des vitesses allant jusqu’à 5000 miles par seconde, devrait ressentir la pleine étrangeté de l’univers, selon Einstein. Ce dernier s’est produit à l’été 2018, les deux équipes surveillant l’écart ou la surprise de la star.

Pour mener cette expérience, les astronomes devaient connaître l’orbite de l’étoile avec une grande précision, ce qui a nécessité des décennies d’observations avec les télescopes les plus puissants de la Terre.

«Vous avez besoin de 20 ans de données juste pour avoir un siège à cette table», a déclaré Ghez, qui a rejoint la mêlée en 1995.

À l’automne 2018, Genzel a annoncé avoir détecté les nuages ​​de gaz encerclant le centre de la galaxie toutes les 45 minutes environ à 30% de la vitesse de la lumière. Ces nuages ​​sont si proches du trou noir présumé que s’ils étaient plus proches, ils tomberaient, selon la physique einsteinienne classique, a déclaré Genzel.

Les résultats confirment que la chose sombre du Sagittaire «est en effet un énorme trou noir», a écrit le groupe de Genzel dans la revue Astronomy & Astrophysics en 2018.

«Leur travail de pionnier nous a fourni la preuve la plus convaincante à ce jour d’un trou noir supermassif au centre de la Voie lactée», a déclaré l’Académie suédoise des sciences dans son annonce.

Einstein pourrait grommeler, mais il serait également fier.

Savoir que les trous noirs existent, disent les physiciens, nous rappelle seulement que nous ne comprenons pas ce qui se passe à l’intérieur et que nous ne comprenons pas vraiment la gravité.

Le trou noir «nous enseigne que l’espace peut être froissé comme un morceau de papier en un point infinitésimal, que le temps peut être éteint comme une flamme soufflée, et que les lois de la physique que nous considérons comme« sacrées », comme immuables, sont tout sauf », a déclaré John Wheeler, l’un des leaders de la relativité générale en tant que professeur à l’Université de Princeton et à l’Université du Texas à Austin, dans son autobiographie de 1998.

La plupart des physiciens pensent que la théorie de la relativité générale d’Einstein devra être modifiée pour faire face à des situations extrêmes telles que le Big Bang ou tout ce qui se passe dans les trous noirs.

« Nous savons déjà que la théorie de la gravité d’Einstein s’effiloche sur les bords », a déclaré Ghez dans une interview il y a quelques années. «Quels sont les meilleurs endroits pour y rechercher des écarts qu’un trou noir supermassif?»

Le prix de mardi prolonge une récente série de prix pour l’astrophysique.

L’année dernière, le cosmologiste James Peebles a partagé le prix avec deux astronomes, Michel Mayor et Didier Queloz, pour le travail que les juges Nobel ont dit «a transformé nos idées sur le cosmos».

Et en 2017, le comité a honoré Rainer Weiss, Kip Thorne et Barry Barish pour la découverte des ondes gravitationnelles des trous noirs.

« L’astrophysique semble détenir le prix Nobel de physique ces jours-ci », a déclaré Michael Turner, cosmologiste à la Fondation Kavli, ajoutant « et à juste titre avec tout ce que nous apprenons sur l’univers. »

Qui d’autre a remporté un prix Nobel cette année?

Harvey J. Alter, Michael Houghton et Charles M. Rice ont reçu lundi le prix de physiologie ou de médecine pour leur découverte du virus de l’hépatite C. Le comité Nobel a déclaré que les trois scientifiques avaient «rendu possible des analyses de sang et de nouveaux médicaments qui ont sauvé des millions de vies».

Quand les autres prix Nobel seront-ils annoncés?

– Le prix Nobel de chimie sera annoncé mercredi en Suède.

– Les prix Nobel de littérature seront annoncés jeudi en Suède. Les prix pour 2018 et 2019 ont été annoncés l’année dernière après un report du prix 2018. Cela s’est produit après que le mari d’un membre de l’académie a été accusé, et finalement condamné, de viol – une crise qui a conduit au départ de plusieurs membres du conseil d’administration et a nécessité l’intervention du roi de Suède.

– Le prix Nobel de la paix sera annoncé vendredi en Norvège.

– Le prix Nobel Memorial en sciences économiques sera annoncé lundi la semaine prochaine en Suède.

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