J'ai rapidement cité dans un précédent billet l'ouvrage de Jean-Pierre Luminet, Le Destin de l'Univers (édité chez Folio essais). C'est le meilleur ouvrage de vulgarisation d'astrophysique que je connaisse : complet, riche, d'une écriture très agréable, ouvert sur l'art et la littérature. Il n'effraiera pas les néophytes car il ne contient pratiquement pas d'équations, mais il captivera les initiés par la profondeur de ses explications. Il part du récit du destin des étoiles pour arriver au destin de l'Univers dans son entier, passant par les trous noirs qui constituent le principal sujet de l'ouvrage.


Le terme black hole est utilisé pour la première fois par le physicien John Wheeler, lors d'une conférence en 1967. Il fait ainsi référence à Alice au pays des merveilles : "[L'étoile en implosion] disparaît à la vue comme le chat du Cheshire. L'un ne laisse que son sourire derrière lui, l'autre ne laisse que sa gravité. La gravité mais pas la lumière. Ni lumière ni aucune particule n'en émerge. De plus, lumière et particules incidentes qui pénètrent dans le trou noir ne font qu'accroître sa masse et sa gravité."

Le public tout comme les scientifiques du monde entier s'enthousiasment alors pour cette nouvelle appellation. Une étoile effondrée, dont la masse est tellement grande, la densité tellement élevée que même la lumière ne peut s'en échapper, devient un trou noir.

En France, jusque dans les années 70, on préfère le terme d'astre occlus, bien plus convenable pour les chastes (ou pas) oreilles de français (à l'esprit mal tourné). Il s'avère cependant que "astre occlus", en fin de compte, est un peu plus conforme à la réalité ! Car il n'est pas certain qu'un trou noir soit réellement un trou, mais il est certain qu'il est occlus, puisqu'il est impossible de voir ce qu'il se passe derrière l'horizon des évènements, duquel "ni lumière ni particule émerge".


Je ne vais pas faire un exposé sur les trous noirs : il y a tellement de choses à dire ! Je vais me contenter d'expliquer les termes qui figurent sur mon illustration.

Tous ces termes désignent des théories de la physique qui permettent une compréhension partielle de l'Univers en général et des trous noirs en particulier.



Le premier mot de l'image est "thermodynamique". La formule qui remplit le trou noir est celle de son entropie. J'ai déjà évoqué très rapidement l'entropie du trou noir dans un ancien billet ( Psychedelic order of the golden dawn ), et il faudrait que je prenne le temps d'expliquer - un jour - ce qu'est l'entropie, ce que représente l'entropie d'un trou noir, comment on lui applique les lois de la thermodynamique. C'est un sujet passionnant, que je n'aborderai pas ici parce que je n'ai pas le temps, mais probablement plus tard... Et avec une nouvelle illustration, pourquoi pas.

Je vais donc me contenter d'expliquer les termes qui sont sur les mains, et je les relierai à la thermodynamique dans un futur article ! Commençons :



La relativité générale décrit la gravitation comme une déformation de l'espace-temps par la masse et l'énergie. Elle prédit l'existence des trous noirs, objets tellement "compacts" qu'ils forment une zone d'où rien ne peut s'échapper. Au milieu de cette zone trônerait une singularité, de volume nul et de densité infinie, où l'espace-temps serait "troué" (ou pas, mais c'est une autre histoire).

La relativité générale permet de décrire partiellement le comportement des trous noirs, tout comme elle permet de décrire partiellement l'Univers. En effet, si la relativité générale est valide aux grandes échelles d'espace où la gravitation domine, elle ne l'est plus lorsque l'on s'aventure dans "l'infiniment petit" (qui n'est pas infiniment petit, en fait). La compréhension des trous noirs ne peut se faire sans la mécanique quantique, qui décrit le comportement de la matière à l'échelle la plus petite. Le trou noir, et sa supposée singularité, impliquent d'immenses effets gravitationnels, mais d'immenses effets gravitationnels dans un volume tout petit et donc soumis aux particularités de la physique quantique.

La présence de singularités et de valeurs infinies dans une théorie indique généralement ses limites. Aujourd'hui, la physique est divisée en ces deux théories qui "buttent" l'une contre l'autre, sans pouvoir dialoguer, alors qu'il le faudrait ; deux théories qui conçoivent très différemment des notions aussi fondamentales que l'espace, le temps, la matière. Ces deux théories incomplètes devraient pouvoir trouver leur plénitude dans une théorie unifiée, pour permettre de comprendre, ou d'éliminer, les singularités gênantes que l'on suppose dans les trous noirs ou à l'origine de notre Univers ("Big Bang").

Cette unification est l'ambition de la gravitation quantique.



La gravitation quantique est donc un projet et un fantasme. Derrière ce nom se cache la théorie future/fantôme qui unifierait nos théories physiques. Une théorie unique pour embrasser la matière à toute les échelles, pour englober toutes les forces... Ce qui n'est pas chose aisée, parce que la force de gravitation semble être de nature très différente des trois autres (très différente pour des raisons que je ne développerai pas ici, mais cela pourrait peut-être faire l'objet d'une prochaine illustration et d'un prochain billet ! Du reste, j'en ai déjà fait un il y a un petit moment. Je vous invite à y jeter un œil : Le retour de l'hologramme)

Les pistes sont nombreuses. Des théories diverses fleurissent. Deux pistes principales sont tracées : la gravitation quantique à boucles et la théorie des cordes.



La première piste de la gravitation quantique est la gravitation quantique à boucles, qui privilégie l'approche géométrique de la relativité générale. Avec la théorie des boucles, l'espace-temps est découpé en unités élémentaires : il devient "discret", discontinu. L'espace-temps ressemble à un ensemble de noeuds ("vertex") reliés en un "réseau de spins" en 3D, ou une "mousse de spins" en 4D.

La deuxième piste est celle de la théorie des cordes... ou plutôt des théories des cordes puisqu'il y en a au moins cinq différentes. Toutes ces théories décrivent les particules élémentaires comme des cordes vibrantes qui se déploient dans de nombreuses dimensions spatiales (entre neuf et onze !) repliées sur elles-mêmes. La force gravitationnelle serait véhiculée par le graviton, particule liée à une corde fermée.



La gravitation quantique à boucles décrit l'espace-temps à petite échelle comme une écume. Je cite Jean-Pierre Luminet : " Vue de loin, la géométrie de l'espace-temps est lisse. A l'échelle de la longueur de Planck, elle est très compliquée et en changement perpétuel. De même que la mer semble lisse à grande altitude, même si une tempête l'agite, de même l'espace-temps à l'échelle microscopique est-il secoué de violentes fluctuations. Celles-ci prennent l'aspect de mini-trous de ver s'ouvrant et se bouchant en permanence. " Ainsi, notre espace-temps lisse émerge d'une structure qui n'y ressemble absolument pas.

Quant à la théorie des cordes, elle est devenue la théorie des branes. La notion de brane généralise celle de "corde". Une corde est une brane particulière, unidimensionnelle ; une brane peut être de plusieurs dimensions spatiales. Notre Univers serait lui-même une brane 3D, de déplaçant dans un Univers fondamental de dimension supérieure. Le Big Bang aurait été produit par la collision entre deux "branes-Univers".



Et si les propriétés émergentes de l'Univers rendaient la physique intrinsèquement inunifiable ? L'unification restera peut-être le Graal éternel des physiciens. (j'allais écrire "le Graal éternel de l'humanité"... Si seulement...)

Pour pratiquement tout savoir sur le sujet, je vous recommande l'ouvrage de Jean-Pierre Luminet.


Sites internet :

- http://nrumiano.free.fr/Fetoiles/int_noir.html

- Wikipedia