Introduction
Avec l’élaboration de la théorie de la Relativité générale en 1915 par le physicien américain d’origine allemande Albert Einstein (1879-1955), notre connaissance de l’Univers dans son infiniment grand s’est accélérée et approfondie. Si sa théorie de la Relativité restreinte (1911) a radicalement modifié et changé la conception et la compréhension des notions newtoniennes d’espace et de temps jusqu’alors considérées comme des catégories distinctes en les unifiant dans un continuum à quatre dimensions appelé espace-temps (trois dimensions spatiales et une dimension temporelle) et constitue le premier aspect de la révolution einsteinienne de la PHYSIQUE, le deuxième aspect en est que l’espace-temps est courbe et seul un univers vide est un univers plat. C’est-à-dire plus concrètement que la géométrie, et donc la courbure de l’espace-temps sont déterminées par les masses et autres formes d’énergies (du fait de l’équivalence entre masse et énergie qu’induit la Relativité restreinte) qui y sont présentes. Mathématiquement, cela est traduit par les équations dites cosmologiques de la Relativité générale dans lesquelles il y a d’un côté la géométrie de l’espace-temps et de l’autre le contenu matériel et énergétique de l’Univers. Pourquoi équations cosmologiques ? Parce que d’abord, comme il vient d’être dit, elles expriment la liaison entre l’espace-temps et les constituants de l’Univers considéré dans son ensemble, c’est-à-dire le cosmos. Ensuite parce que la cosmologie est la partie de l’astronomie qui étudie la structure et l’évolution de l’Univers considéré comme un tout et plus précisément comme un fluide matériel continu, homogène et isotrope. Les résolutions desdites équations appliquées à l’étude de l’Univers ont permis des avancées fantastiques de notre compréhension et de nos connaissances de ses origines et de son évolution. Il s’agit en particulier des solutions proposées par le physicien russe Alexandre Friedman (1888-1925) et par le prêtre mathématicien belge Georges Lemaître (1894-1966) d’une part et d’autre part des observations de l’astronome américain Edwin Hubble (1889-1953) qui ont conduit les unes à la théorie du big bang et les autres à la découverte de l’expansion de l’Univers, celui-ci n’étant pas statique mais animé d’un mouvement d’ensemble d’expansion, les galaxies s’éloignant les unes des autres. Ces équations permettent aussi d’expliquer et de calculer de manière précise des phénomènes tels que le déplacement du périhélie de la planète Mercure (point le plus proche du Soleil sur sa trajectoire autour de celui-ci), le décalage vers le rouge des fréquences de raies spectrales, la déviation courbe des rayons de lumière dans un champ de gravitation, etc…
En outre, les équations cosmologiques d’Einstein ne prédisent pas que le big bang et l’expansion de l’Univers. Elles prédisent d’autres phénomènes tels que les ondes gravitationnelles, les trous noirs, etc…Les TROUS NOIRS ? De quoi s’agit-il ? Mais commençons d’abord par quelques définitions.
I.Astres, astronomie, étoiles, galaxies, astrophysique, Univers,…
On appelle astre, un corps céleste naturel. Et l’astronomie est la science qui étudie les corps célestes ou astres de l’Univers notamment leurs structures, leurs mouvements et leur évolution. Elle est née des besoins de la vie courante des premiers agriculteurs en Egypte, en Mésopotamie et en Chine, s’est ensuite développée avec les Grecs notamment Claude Ptolémée (90-168), a été poursuivie avec les astronomes polonais Nicolas Copernic (1473-1543) et allemand Johannes Kepler (1571-1630) ainsi que le physicien et mathématicien anglais Isaac Newton (1642-1727) qui publia en 1687 la loi de l’attraction gravitationnelle universelle. En 1609 la lunette astronomique est inventée par le physicien et astronome italien Galiléo Galilée (1564-1642) et le télescope par Newton en 1671.
On appelle planète un corps céleste dépourvu de lumière propre, de volume assez important et gravitant autour d’une étoile. Ainsi dans le système solaire, les planètes qui le composent gravitent autour du Soleil qui est leur étoile. Elles sont au nombre de huit (08).
Une étoile est un objet céleste de forme grosso modo sphérique constitué de masses gazeuses très denses, à haute température, émettant un rayonnement de lumière et des particules. C’est donc un astre doué d’un éclat propre dû aux réactions thermonucléaires dont il est le siège. Les ensembles d’étoiles appelés galaxies sont le constituant fondamental de l’Univers. Chaque étoile a une couleur caractéristique (bleue pour les plus chaudes, rouge pour les plus froides ; le Soleil, notre étoile, rayonne dans le jaune). Les étoiles, il en a desdites géantes, naines, doubles, etc… Le Soleil qui a 1392000km de diamètre et une masse de 2 milliards de milliards de milliards de tonnes est une naine.
On appelle Univers l’ensemble de tout ce qui existe dans le temps et dans l’espace (on parlera ici d’espace-temps). L’Univers peut être défini aussi comme l’ensemble de la matière et de l’énergie observable par l’homme. On peut enfin le définir comme l’ensemble des corps célestes et de l’espace où ils se meuvent, Terre y compris.
L’astrophysique est une branche de l’astronomie qui consiste en l’étude physique et chimique des différents corps célestes de l’Univers. Elle comprend la cosmologie, l’étude des planètes et des étoiles, des galaxies et des milieux interstellaires.
On appelle galaxie un ensemble d’étoiles, de poussières et de gaz interstellaires dont la cohésion est assurée par la gravitation. Les galaxies présentent une grande diversité de taille (entre 2000 à 500000 années-lumière de diamètre) et de forme (elliptiques, spirales, lenticulaires ou irrégulières). Les regroupements de galaxies sont appelés amas ou superamas. Le système solaire et donc la Terre se situe dans la galaxie appelée Voie lactée qui est constituée de plus de 100 milliards d’étoiles c’est-à-dire de ‘’soleils’’. La Voie lactée apparaît sous la forme d’un énorme disque aplati de 97800a.l (années-lumière) de diamètre ; le système solaire se situe à environ deux tiers (2/3) de rayon de son centre. On appelle année-lumière (a.l), la distance que la lumière parcourt en un an en se déplaçant à la vitesse de 300000km par seconde (sa vitesse dans le vide) soit 9460 milliards de km.
II.Collapse gravitationnel et trou noir
En 1916, l’astrophysicien allemand Karl Schwarschild (1873-1916) a établi une solution des équations cosmologiques d’Einstein. Ladite solution (métrique de Schwarschild) détermine complètement le champ gravitationnel dans le vide (c’est-à-dire à l’extérieur des masses qui l’engendrent) créé par n’importe quelle distribution centrale-symétrique de masses.
De cette solution, il ressort que si au terme de son évolution après avoir épuisé ses réserves d’énergie, une étoile massive n’a pas pu éjecter suffisamment de matière (en explosant par exemple) et si sa masse résiduelle est de l’ordre de 1.5 (un et demi) fois la masse du Soleil (ce qu’on appelle la limite de Chandrasekhar, du nom de l’astronome américain d’origine indienne Subramanyan Chandrasekhar, 1910-1995) l’issue ne peut que lui être fatale. C’est le collapse (effondrement) gravitationnel. C’est donc une prédiction de la Relativité générale. Alors en effet, aucun état d’équilibre n’existe pour une telle étoile. Massive et froide elle se contracte pour aboutir à ce qui a été appelé ‘’trou noir’’ en 1969 par le physicien américain John Wheeler, quand son rayon atteint une valeur critique, appelé rayon de Schwarschild ou l’‘’horizon absolu’’ : aucune particule matérielle, aucun rayon de lumière, aucun signal électromagnétique ne peut plus s’échapper d’un tel objet, tellement le champ gravitationnel (ou la courbure dite riemannienne, du nom du mathématicien allemand Bernhard Riemann, 1823-1866) qui lui est associé est intense. Alors l’étoile finit par s’écraser sur elle-même. L’observation directe d’un trou noir est cependant impossible puisqu’il n’émet aucune lumière (ou plus précisément aucun rayon lumineux ne peut en sortir !). Aussi l’espoir de les détecter réside-t-il dans l’observation de systèmes d’étoiles-doubles dont l’une serait une étoile ordinaire visible et l’autre, un trou noir. Il existe une limite qui marque l’arrivée dans le trou noir, c’est l’ ‘’horizon absolu’’. A l’extérieur de celui-ci, l’on est hors du trou noir, mais dès l’horizon franchi, aucun retour en arrière n’est possible.
On estime à entre un million et un milliard de fois la masse du Soleil, la masse du trou noir qui réside au cœur de chaque galaxie. Et ce qui n’était qu’une hypothèse il y a quelques dizaines d’années est devenu maintenant une ‘’certitude’’ : en leur centre, toutes les galaxies contiennent un trou noir supermassif. En utilisant un télescope situé à La Sella au Chili l’astronome allemand Reinhard Genzel et son équipe ont découvert en 1992 au centre de la Voie lactée à 25000a.l de la Terre un trou noir qui entraîne gaz et étoiles alentours dans une course folle. Mais il ne s’agit pas d’observation directe, il s’agit plutôt de déduction : l’une de ces étoiles est entraînée sur une orbite parfaitement elliptique par un objet dont des calculs ont déterminé qu’il possède une masse quatre (04) millions de fois supérieure à la masse du Soleil. En outre et surtout cette masse colossale est confinée dans un volume dont le diamètre est d’à peu près 10 minute-lumières (mn-l), soit quelque 180 millions de km. Une telle masse dans un si ‘’petit’’ (petit à l’échelle du cosmos) volume ! Incontestablement il ne peut s’agir que d’un trou noir.
III.Les trous noirs et des questions d’avenir
Les trous noirs apparaissent donc comme de véritables mastodontes et ogres dans l’Univers. Une masse 4 millions de fois supérieurs à la masse du Soleil, on de la peine à l’imaginer et à se la représenter. Et il s’y passe bien des choses, à la limite en contradiction apparente avec les propriétés que nous venons d’énoncer caractéristiques des trous noirs.
Ainsi, en théorie rien de ce qui a été avalé par un trou noir ne peut en ressortir. Mais il a été observé que de temps à autre il s’en échappe des jets de particules qui chauffent le milieu galactique environnant. Comment expliquer de tels phénomènes tout en restant dans les limites des prédictions des équations d’Einstein? On pense aujourd’hui que c’est le champ magnétique induit par un trou noir et sa rotation qui engendre cette éjection de matière. Mais ce n’est vraiment qu’une hypothèse, le mécanisme exact de tels phénomènes n’est pas encore vraiment bien compris.
Ce n’est pas tout. Il arrive par exemple dans l’Univers que deux galaxies entrent en collision. Alors sous l’effet irrésistible de la gravitation, deux trous noirs situés cachés en leur sein commencent à tourner l’un autour de l’autre et à se rapprocher l’un de l’autre jusqu’à tomber l’un sur l’autre et à fusionner en un seul trou noir. Lorsqu’ils arrivent, de tels évènements sont les plus énergétiques ayant lieu dans l’Univers après le big bang. D’un autre côté un traitement approprié des équations cosmologiques d’Einstein conduit à des équations différentielles de type hyperbolique appelées équations d’ondes. C’est-à-dire que les équations d’Einstein prédisent l’existence d’ondes liées à la gravitation, les ondes gravitationnelles. Alors celles-ci seraient-elles produites par de telles fusions d’objet célestes, les trous noirs en particulier? Des fusions de trous noirs qui feraient littéralement vibrer l’espace-temps en faisait osciller sa trame. Des oscillations qui déformeraient l’espace-temps. Si de telles oscillations devraient être créées par la formidable accélération des masses énormes de trous noirs dans les derniers instants de leur rapprochement avant leur fusion, elles se manifesteraient sous la forme d’ondes d’un genre nouveau. S’agit-il des ondes gravitationnelles prédites par la théorie? Mais jusqu’à aujourd’hui, elles n’ont encore jamais été détectées. Les difficultés à cela sont au nombre de deux au moins :
• Comme pour toute onde qui se propage, l’amplitude de la déformation (de l’espace-temps que constituerait une onde gravitationnelle) décroît en fonction de l’inverse du carré de la distance à la source. Aussi lorsqu’une telle déformation arrive sur la Terre après avoir parcouru des milliards d’années-lumière, elle est si minime que sa superposition aux vibrations naturelles ambiantes, la rend difficilement détectable.
• On n’a pas une idée précise de la forme d’un signal gravitationnel en général, et en particulier du signal gravitationnel émanant de la fusion de trous noirs de telles ou telles masses.
D’autres questions restent posées encore. Par exemple celle-ci : que devient la matière une fois engloutie par un trou noir? C’est-à-dire qu’est-ce qui se passe à l’intérieur des trous noirs qui fonctionnent comme des systèmes-portes à sens unique : une fois passé leur seuil, il est impossible de revenir en arrière et donc à l’extérieur de savoir ce qui se passe en leur sein. Bien entendu selon la théorie, aucun instrument astrophysique ne pourra permettre de voir ce qui s’y passe puisque aucun rayon lumineux n’en sort. Néanmoins à partir de modélisations informatiques des équations cosmologiques d’Einstein, il sera sans nul doute possible de s’en donner une idée. Celle-ci sera toute théorique évidemment, mais ce sera déjà mieux que rien en attendant que la science trouve un jour des solutions appropriées et adéquates au problème à résoudre. Peut-être la quantification de la gravitation sera-t-elle une piste (toujours théorique) de compréhension et de position du problème. Ce sera déjà une avancée notoire. Enfin les trous noirs seraient-ils un passage entre deux univers (l’un, le nôtre, connu et l’autre encore inconnu) ou la porte d’entrée d’un univers infini ? Vaste question!
Fait à Cotonou,
le 19 Juillet 2012
Joseph Marcellin DEGBE
Ingénieur Physicien à la retraite
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