La science des trous noirs

jeudi 24 mai 2012
par  Jacques

N°13- LA SCIENCE DES TROUS NOIRS.
J.P.Lasota - O.Jacob - Sciences - 02/10 - 192 pages - Tout lecteur motivé.

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RÉSUMÉ : Après un intéressant déroulé de tapis rouge autour des 2 piliers de la science contemporaine, l’auteur nous entraîne de manière originale sur la sphère photonique des trous noirs et tente d’en justifier leur histoire et leur comportement, probablement source de formation des grandes structures observées.

MOTS CLÉ : rayon, surface, horizon, orbite photonique.

L’AUTEUR : Jean Pierre LASOTA est directeur de recherche émérite de l’IAP et professeur à l’Université Jagellon (Cracovie).

Sous l’impulsion de Michel Cassé, Jean Pierre LASOTA nous offre dans cet ouvrage une vision très personnelle des trous noirs (TN), dépoussiérée de tout formalisme mathématique, mais bien centrée sur la relativité et la quantique qui font de ces objets un pont démâté entre ces deux grandes théories.

Les trois premiers chapitres constituent ce parcourt initiatique nécessaire à placer le lecteur en situation d’ouvrir la fenêtre. Le point d’abord sur la gravitation qui agit sur tout, associée au concept de chute libre où le poids disparaît, à la notion de vitesse de libération et de corps obscur (Mitchell-Laplace). Ensuite la vitesse limite et invariante qui offre à la relativité restreinte d’écrire les lois de la physique indépendamment du référentiel inertiel et de définir le concept d’espace-temps (E.T) collé à sa métrique. Enfin le principe d’équivalence, en identifiant localement l’accélération à la gravitation, permet de proposer un modèle géométrique, où la matière-énergie impose une courbure, qui en retour lui dicte son mouvement. Le lecteur appréciera l’originalité dans la présentation de certaines expériences de pensées, mais regrettera parfois quelques relations (sur l’énergie par exemple) qui auraient simplifié certaines discussions.

La solution des équations d’Einstein a permis à Schwarzschild de calculer, dans le cas d’une masse ponctuelle M, le rayon d’un trou noir : Rs(km)=3M/Msol, (masse solaire prise comme référence). Il dépend aussi de sa charge et de sa rotation. La surface du T.N correspond à un décalage vers le rouge et à une dilatation de temps infinis. A l’image de ces poissons alicieux tombant dans une chute d’eau, pour y demeurer il faut se déplacer, à la vitesse de la lumière. Cette surface formée par les trajectoires de la lumière dans l’E.T est donc un horizon absolu. La traversée de cette surface n’est associée localement à aucun effet physique autre que la chute libre. Seules les forces de marées liées à la courbure (inversement proportionnelle au carré de la masse du T.N), pourraient trahir l’état du mouvement. Tout ce qui se trouve au dessous devient inaccessible, l’espace lui-même s’effondre dans la singularité, les forces de marée y sont toujours énormes indépendamment de la masse du T.N, et aucune information n’en sort.

A R=1,5Rs, correspond le rayon de l’orbite photonique, orbite instable sur laquelle le photon se comporte comme une planète, donc en chute libre circulaire, mais sans accélération, la vitesse des photons étant constante. Y est associée la sphère photonique, sphère tissée par toutes les orbites photoniques autour du trou noir et qui n’est clairement pas un horizon. Sur cette sphère, la force centrifuge s’annule et un observateur ne verrait que des mouvements rectilignes. A l’intérieur de la sphère la force centrifuge devient elle aussi attractive, justifiant l’absence d’orbites circulaire entre surface du T.N et sphère photonique.

Une théorie quantique de la gravitation (cordes ou boucles) devrait répondre à certaines attentes quant à l’échelle où la gravitation devient quantique. Faut-il évoquer la longueur d’onde Compton associée à un objet purement gravitationnel (le T.N) pour établir cette échelle, et le décréter objet quantique ? Alors un T.N quantique aurait une masse de 2,2.10⁻kg, pour une taille de 10-m. Le lien entre T.N et effets quantiques se manifeste pourtant à d’autres échelles ! A la notion de surface, qui ne peut qu’augmenter, sont associée l’entropie et la température (inversement proportionnelle à sa masse M) et donc un rayonnement thermique. L’évaporation des T.N fait intervenir la création de particules virtuelles dans le vide proche de la surface-horizon. A ce rayonnement Hawking (type corps noir) est associé une perte d’information qui ne trouvera sa justification que dans le cadre d’une nouvelle théorie. En a-t-on vraiment besoin, aux dire de l’auteur, pour justifier les deux singularités (primordiale et des T.N) censurées par la gravitation ?

La dernière partie de l’ouvrage, plus classique et que nous confions donc à l’attention du lecteur, témoigne des connaissances actuelles sur la formation des T.N avec passage obligé suivant les masses, par les intermédiaires que sont les naines blanches, les étoiles à neutrons et les pulsars, les quasars ou noyaux actifs de galaxies (NAG).

Au bilan trois types de trous noirs possibles. Les trous noirs stellaires de quelques masses solaires, les trous noirs supermassifs au centre des galaxies (plusieurs millions voire milliards de masses solaires), et les trous noirs de masses intermédiaires (TNMI de quelques milliers de masse solaire) dont l’existence reste encore à confirmer et qui pourraient faire leur nid dans la formation des grandes structures observées.

La recherche des T.N commence par l’évaluation de la masse de l’objet candidat en observant les orbites des corps influencés par sa gravitation. Le rendement des processus d’accrétion, (fraction d’énergie récupérable avant passage de l’horizon), ou le flot d’accrétion dominé par l’advection (ADAF, où la luminosité de l’objet est en conflit avec son alimentation en matière), permettent d’étayer les suspicions sur ces objets si discrets. La luminosité produite par l’accrétion restant toujours inférieure à la luminosité d’Eddington. Seule l’astrophysique gravitationnelle avec ses interféromètres (VIRGO, LIGO et bientôt LISA dans l’espace) sera en mesure de fournir une réponse à la formation de ces monstres gravitationnels, gros émetteurs de rayons X et de flashes gamma, dont nous n’observons sur Terre que leurs superbes gerbes secondaires.

Beau travail sur un sujet où bien des choses ont déjà été écrites sur ces fascinants rêves noirs, grands artisans de l’espace-temps et dont seule la lumière sait en tisser les formes. Si leur avenir promet d’être brillant, où passent les histoires d’autrefois quand seule la nuit monte pour sortir ?

Jacques Cazenove



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