Avoir un blog, cela permet aussi faire des rencontres originales ! Il y a quelques jours, Chantale m'a envoyé un petit message. Elle est enseignante en sciences au Québec et a monté une petite entreprise originale... qui aurait tout à fait pu s'appeler Physique & Chocolat ! Elle nous parle de son projet.

Je me suis toujours amusée à faire de petits chocolats pour différentes occasions mais je ne trouvais rien pour s’amuser avec la science de cette façon. Pour le  150ième anniversaire du tableau périodique en 2019, je me suis mise au défi de réaliser un moule alimentaire pour fabriquer une tablette de chocolat avec les éléments du tableau périodique.  Ce moule permet de réaliser une tablette qui contient tout près de 425 grammes de chocolat.  Et puis, l’idée de fabriquer un moule d’atome, de la molécule du chocolat (théobromine) et de la molécule de l’amour (phényléthylamine) s’est enchaînée pour finalement avoir un ensemble scientifique unique !

Vous désirez y jeter un coup d’œil ou bien de vous procurer ces moules, vous pouvez consulter sa boutique Etsy ! Voici quelques photos pour vous mettre l’eau à la bouche…

Il y a quelques jours, lors d’une conférence de l’American Physical Society, le physicien Daniel L. Jafferis, de l’université d’Harvard, a présenté des résultats plutôt surprenants : voyager à travers un trou de ver serait théoriquement possible ! Un trou de ver ? Mais siii, vous l’avez vu dans Interstellar, avec le marmottant mais séduisant Matthew McConaughey, rappelez-vous cette scène dans laquelle Matt’ observe un trou de ver, tout intrigué :

Le collègue de Matthew lui explique gentiment le principe du trou de ver. Vous voulez atteindre un point très lointain de l’espace ? N’y passez pas la vie, prenez un raccourci ! Dans la vidéo, notre espace-temps est représenté comme une feuille, que l’on pourrait plier pour atteindre plus vite notre destination, via le trou de ver.




Comme les trous noirs, les trous de ver ont été imaginés par Albert Einstein (et Nathan Rosen en ce qui concerne les trous de ver). Toutefois, les trous de ver sont (pour l’instant) des objets purement théoriques. A l’inverse, les trous noirs ont été observés, d’abord indirectement, et très récemment directement pris en photo !

Einstein et Rosen avaient imaginé ces trous de ver, aussi appelés ponts d’Einstein-Rosen (en réalité découverts par Ludwig Flamm un peu plus tôt, han l'arnaque !), mais ils n’avaient pas pu trouver un moyen de garder ces ponts ouverts. Il aurait fallu une matière exotique pour les empêcher de se refermer presque instantanément. De plus, ces ponts auraient une taille quantique, du genre très très microscopiques. Pas évident pour faire passer vos fesses, si petites soient-elles (personne n’est gros). Et si on essaie de les agrandir, ils s’autodétruisent ! Bon, c’est mal barré pour les vacances dans la galaxie voisine. Ce qui n’a pas empêché toute la science fiction de se servir de cette idée, fort pratique, je vous l’accorde.

Mais ce n'est pas ça qui décourage les physiciens, et certains, comme Kip Thorne ou Stephen Hawking, ont imaginé comment stabiliser de tels objets, avec l’effet Casimir par exemple. Je précise que cela n’a strictement rien à voir avec le type en costume orange qui cuisine du gloubi-boulga pour les enfants (osez cliquer sur la vidéo ci-dessous).

Le vide… pas si vide que ça !

Le néerlandais Hendrik Casimir a montré en 1948 que si on rapproche suffisamment deux plaques parallèles, une force semble vouloir les coller l’une à l’autre. La cause probable ? L’énergie… du vide ! En réalité, le vide n’est pas si vide que ça. Dans le vide, des particules apparaissent sans cesse, et s’annihilent aussitôt. Pour mieux se représenter, et puisqu’on en parlait, imaginons que dans le vide, en permanence, des Casimirs de toutes les tailles apparaissent et disparaissent. Par contre, entre nos deux plaques très rapprochées, seuls les petits Casimirs peuvent rentrer. Si nos Casimirs décident de danser tous la salsa en poussant leurs voisins, on se rend compte que les Casimirs de l’extérieur, plus nombreux et plus costauds, vont pousser plus fort que les petits Casimirs entre les plaques. Résultat, les plaques se rapprochent !

Cet effet n’est pas qu’un détail marrant de la physique. Dans certaines théories, il pourrait carrément être à l’origine de l’existence de la gravité, rien que ça. C’est un effet similaire qu’a proposé Daniel L. Jafferis en imaginant connecter deux trous noirs au niveau quantique. Dans ce cas, le trou de ver serait alors traversable. Cela signifie que de la lumière pourrait passer dans le trou de ver et en ressortir, ce qui est normalement impossible dans le cas d’un trou noir ordinaire. Ce serait particulièrement intéressant car cela nous permettrait de savoir ce qu’il se passe à l’intérieur de ces monstres galactiques, censés tout avaler et ne jamais rien rendre !

Pour les vacances par contre, c'est toujours pas gagné, Jafferis précise que "Cela prend plus de temps de traverser ces trous de ver que d'y aller directement, alors ils ne sont pas très utiles au voyage spatial."... Même si de l’extérieur, tout cela peut avoir l’air farfelu (si, si, vous pouvez le dire hein), chercher un moyen de construire un trou de ver dans lequel la lumière puisse passer a déjà fait bien progresser la recherche sur une possible théorie de gravité quantique. Cette théorie (un peu le Graal des physiciens) permettrait de réconcilier la physique imaginée par Einstein, qui décrit l’infiniment grand, notre Univers, et la physique quantique décrivant l’infiniment petit, ces deux théories étant fondamentalement incompatibles, c'est ballot.

Pour aller plus loin

• L'article de Science Daily (en anglais) dans lequel j'ai trouvé ces informations et la citation de Jafferis
• L'effet Casimir sur wikipédia (mais accrochez-vous, c'est chaud)
  
• Mon dossier sur les trous noirs

Rien à voir avec les étoiles, mais tout à voir avec la science et la façon d'en parler au grand public. Si vous ne l'avez pas encore lu, il est toujours temps. Le livre de l'étudiante en médecine maintenant gastroentérologue Giulia Enders est vraiment génial. Vous saurez tout sur votre estomac, votre intestin et sur toutes les petites bactéries qui y habitent, le tout avec beaucoup d'humour et de légèreté.

Elle a une petite description de l'aspect quotidien de la recherche que j'aime beaucoup :

Faire de la recherche, c'est un peu comme traverser par temps de brouillard une région qu'on ne connaît pas. Il n'y a pas beaucoup de gens qui adoreraient faire ça tous les jours, et surtout, qui auraient assez d'enthousiasme à long terme pour photographier consciencieusement chaque buisson et chaque façade se détachant de la purée de pois alentour. Il peut aussi arriver qu'on suive patiemment un long fil de laine jusqu'à constater finalement qu'on est en train de détricoter son propre pull-over. Après ça, rentrer chez soi et raconter en toute honnêteté les résultats du jour, c'est juste... moyennement cool.

Ce que vous voyez là est la première image d'un trou noir ! Les scientifiques du projet Event Horizon Telescope viennent de présenter au monde cette photo lors de 6 conférences de presse simultanées à travers le monde, il y a quelques heures !

Attends un peu, what ? Reprenons depuis le début.

Le trou noir galactique ou la roi vorace de la galaxie

Un trou noir, c'est un objet avec une masse incroyablement grande, concentrée dans un tout petit espace. Il exerce une force de gravité très importante sur son entourage, au point que même la lumière ne peut lui échapper. Les trous noirs sont d'ordinaire la dernière étape de la vie des étoiles massives, c'est-à-dire de plus de 8 fois la masse du Soleil. Mais il existe également des trous noirs monstrueux tapis au centre des galaxies. On ignore encore comment ils se forment exactement. Notre galaxie, la Voie Lactée, en contient un. C'est aussi le cas de la galaxie M87, qui a été observée ici, à 53 millions d'années-lumière de nous. Les trous noirs ont été prédits par Einstein il y a plus de 100 ans (au départ, il n'y croyait pas lui-même, tellement ça lui semblait jeté) et des décennies sont passées avant que l'on commence à avoir des preuves de leur existence.

Une observation sacrément délicate

Si cette image est une grande avancée, c'est que jusqu'ici, nous n'avions que des preuves indirectes de leur existence. Les trous noirs galactiques sont par définition noirs puisqu'ils absorbent la lumière environnante. Comment les observer alors ? Jusque là, on a pu observer par exemple le mouvement très rapide des étoiles tournant autour ou encore la déformation de la lumière passant près des trous noirs. Pour ne rien arranger, le centre d'une galaxie, c'est du genre encombré d'étoiles, de gaz, de poussière, qui rendent compliquées les observations.

Un télescope de la taille de la Terre

Comment faire alors pour avoir un télescope suffisamment puissant pour observer un trou noir ? Première chose, choisir la bonne lumière. Si l'on regarde la lumière visible, celle que nos yeux perçoivent, les trous noirs sont obscurcis par le gaz et la poussière. Par contre, la lumière du domaine radio est capable de traverser ces nuages de poussière comme si de rien n'était. Ensuite, l'astuce du projet Event Horizon a été la combinaison de nombreux télescopes, situés à différents endroits dans le monde. En combinant les images simultanées prises par tous ces télescopes, cela revient à observer avec un télescope de la taille de la Terre ! Résultat : une image ultra détaillée, comme jamais auparavant.

Résultat : une image de ouf !

Et voilà le résultat. Ce que l'on voit sur cette image, c'est d'abord un halo de lumière. Frédéric Gueth de l'Institut de Radioastronomie Millimétrique qui gère l'un des télescopes, nous explique qu'il s'agit de la lumière émise par la matière déchiquetée par le trou noir. La zone sombre au milieu, c'est l'ombre de ce qu'on appelle l'horizon des événements. Cet horizon correspond à la limite de non-retour. Si vous franchissez cette limite, vous pouvez avoir tous les vaisseaux de Star Wars que vous voulez, jamais vous n'en sortirez. Le trou noir en lui-même, avec une masse d'à peu près 6,5 milliards de fois la masse du solaire, se cache à l'intérieur de cet horizon.

Ce résultat confirme les modèles imaginés par les astronomes pour les trous noirs en rotation. Mais comme toujours en science, quand on trouve une réponse, cela ouvre un grand paquet de nouvelles questions. C'est le début d'une nouvelle ère pour l'étude détaillée de ces monstres de l'univers !

Pour en savoir plus
> La dépêche AFP
> Mon dossier sur les trous noirs

La recherche de la vie extraterrestre a été relancée ces dernières années avec la découverte d’un nombre impressionnant d’exoplanètes, c’est-à-dire de planètes tournant autour d’autres étoiles que notre Soleil. Les chercheurs ont à nouveau le droit de parler de recherche d'E.T. sans passer pour de gentils hippies qui jettent l’argent public dans l’espace intersidéral.

Parce que, oui, on y croit ! Notre galaxie contient des centaines de milliards d’étoiles et probablement autant de planètes. Même en enlevant les planètes géantes gazeuses genre Jupiter, celles qui sont carbonisées par leur étoile ou congelées parce que trop loin, ça fait encore un sacré paquet de possibilités pour la vie de se développer. Même si, soyons honnêtes, je ne vous parle pas de bestioles type E.T., petits petons, doigt rouge et tête de jambon, mais déjà simplement d’une forme de bactéries.

A la recherche de biosignatures

Pour tenter de détecter la vie actuelle ou passée, on peut rechercher des biosignatures, c’est-à-dire des signes qui ne peuvent être produits que par des êtres vivants. Etant donné l’éloignement notoire de ces planètes, hors de question d’aller se balader là-bas pour y ramasser des fossiles ou trouver des ruines de cité antique. Sans bouger de la Terre, on pourrait par contre observer par exemple une composition particulière de l’atmosphère de la planète. Sur Terre, on sait par exemple que la grande proportion d’oxygène et la petite quantité de méthane sont dues à l’activité vivante. Sans elle, ces gaz disparaîtraient assez rapidement. Trouver ces gaz dans l’atmosphère d’une planète serait une bonne indication que, peut-être, il s’y passe quelque chose de vivant !

Cela dit, par où commencer ? Comment réduire un peu le champ de recherche ? C’est la question que s’est posée Giada N. Arney, chercheuse à la NASA. Nous savons que la vie a besoin de temps pour se créer, alors quoi de mieux qu’une étoile qui vit longtemps ? Les étoiles n’ont en effet pas toutes la même durée de vie. Si notre Soleil vit une dizaine de milliards d’années, les plus massives (qui brûlent leur carburant beaucoup plus vite) peuvent vivre seulement 60 millions d’années, tandis que les plus petites, qu’on dit de type M, seront encore là dans des centaines de milliards d’années.

L'étoile de type K : idéale pour l'émergence de la vie

Le problème avec ces toutes petites étoiles, c’est qu’elles ont souvent une jeunesse turbulente. De grosses éruptions de matière très fréquentes et intenses, qui seraient tout à fait capable de griller un début de vie sur une planète. Arney propose alors que les étoiles un peu plus grosses, de type K, soient les étoiles idéales pour voir la vie émerger sur leurs planètes.

Les étoiles de type K vivent longtemps et ont de plus un autre avantage. La biosignature oxygène-méthane pourrait être bien plus forte autour d’une étoile de type K. Arney a réalisé des simulations numériques de chimie d’atmosphère planétaire, puis les a confrontés au rayonnement de différentes étoiles. Autour d’une étoile de type K, l’oxygène et le méthane sont détruits plus lentement que dans le cas d’une étoile similaire au Soleil. La quantité de ces gaz pourrait alors être plus importante, augmentant nos chances de les détecter !

Un avantage de plus est que les étoiles de type K sont moins brillantes que le Soleil, ce qui rend plus facile la détection de planètes autour d’elles et l’analyse de leurs atmosphères. La chercheuse a déjà repéré plusieurs étoiles de type K proches, qui sont des candidates idéales pour mettre en pratique son idée !

Pour en savoir plus

• La page wiki sur les biosignatures
  
• La publication de la NASA (dont vient l'image - en anglais)
• L'article original de Arney (en anglais)

Vous en avez ras-le-bol de l’hiver ? Il fait froid, il fait gris, vous voulez pas sortir du lit ? Eh bien, restez bien au chaud et pensez un peu que ça pourrait être bien pire. Sur Titan par exemple, la plus grosse lune de Saturne, l’hiver dure 7 ans. Sans parler du fait que la température moyenne y est de -180° et qu’il pleut… du méthane. Aujourd’hui, on s’intéresse à cette lune, qui, malgré des apparences un tantinet désagréables, reste une bonne candidate pour héberger une vie microbienne.

Ça faisait un moment qu’ils attendaient ça. Les chercheurs avaient bossé dur sur leurs jolis modèles. Tout était calculé. Des pluies, principalement de méthane, devaient accompagner le début de l’été dans l’hémisphère nord de Titan. Mais rien ne venait et les mois passaient. Jusqu’à cette image (ci-dessous) prise en juin 2016 par la sonde Cassini, qui se balade autour de Titan depuis 2004. Rajani Dhingra, étudiante en thèse, l’a analysée et a enfin trouvé ce que les chercheurs attendaient.

Une zone, faisant la taille d’un bon quart de la France, réfléchit la lumière beaucoup plus qu’avant. « Ça ressemble à un trottoir mouillé au soleil » décrit Dhingra. Son travail montre qu’il s’agit probablement du sol mouillé par une pluie de méthane, en train de sécher. Il reste maintenant à comprendre la cause du retard des pluies.

Titan est une lune tout à fait particulière. De la taille de Mercure, elle est la seule à posséder une véritable atmosphère. Celle-ci est composée pour l’essentiel d’azote, cas unique dans le système solaire en dehors de la Terre. Pour cette raison, les chercheurs considèrent que l’atmosphère de Titan ressemble à celle de la Terre primitive, avant que les premiers êtres vivants n’y ajoutent de l’oxygène. Son atmosphère contient aussi des hydrocarbures, comme le méthane (vous savez, le gaz que rotent les vaches) qui lui donnent un impressionnant smog orange et opaque, ridiculisant largement notre smog parisien.

La surface de Titan ne s’est révélée qu’à partir de 2004, à l’arrivée de la sonde Cassini-Huygens. Lors d’une petite promenade sur Titan, vous pourriez voir des lacs d’hydrocarbures près des pôles, mais assez peu de cratères, ce qui montre que la surface est régulièrement érodée par du cryovolcanisme (des volcans qui crachent de l’eau ou de l’ammoniac) et par des écoulements liquides. Si vous êtes fans d’alpinisme, Titan n’est pas pour vous, ses montagnes ne dépassent pas le kilomètre. Par contre, si vous aimez la fantasy, elles sont toutes nommées d’après des noms inventés par Tolkien (oui, les scientifiques sont aussi de grands enfants).

Une autre découverte a renforcé encore l’intérêt des scientifiques pour Titan. On soupçonne l’existence d’océans souterrains, probablement composés d’eau et d’ammoniac. En effet, la sonde Cassini a remarqué que la surface de Titan s’est déplacée de 30 km environ en deux ans, suggérant que la croûte est séparée de l’intérieur de la lune. De plus, Titan n’est pas tout à fait sphérique mais suffisamment aplatie, à cause de sa rotation, pour que cela suggère également la présence de liquide dans le sous-sol. S’ils sont chauffés par le cœur de Titan, de tels océans pourraient être favorables à la présence de vie.

La NASA et l’ESA prévoient une nouvelle mission vers Titan, (Titan Saturn System Mission), incluant un orbiteur, une montgolfière et une sonde au sol. On est pas prêt d’y trouver refuge, comme l’humanité dans le film Oblivion, mais on pourrait bien y découvrir quelques explications concernant les débuts possibles de la vie…

Pour en savoir plus :
- l’article original (en anglais) accepté par la revue Geophysical Research Letters
- la news du American Geophysical Union (en anglais)

1977, Cape Canaveral, Floride. Les Etats-Unis ont gagné la course à la conquête de Mars face à l’URSS, sur fond de crise des euromissiles. Les sondes Viking ont livré leurs premiers clichés de la surface de Mars, révélant des paysages arides et hostiles à la vie. Le programme Mariner Jupiter-Saturn, approuvé en 1972, vient compléter l’ambitieux programme de la NASA et du JPL d’exploration du système solaire. Le programme prend le nom de Voyager et deux sondes jumelles sont lancées, profitant d’un alignement exceptionnel des planètes se produisant tous les 175 ans. Leur objectif : explorer les planètes géantes pendant 5 ans.

Décembre 2018. La sonde Voyager 2 est en train de sortir de la zone d’influence du Soleil pour entrer dans le milieu interstellaire, à plus de 17 milliards de km de la Terre… On revient aujourd’hui sur cette mission de ouf, qui a appris énormément aux scientifiques, mais qui fait aussi rêver chacun de nous depuis plus de 40 ans (bon, en tout cas, moi, j'avoue).

Pour situer nos deux sondes, il faut d'abord parler du Soleil et de son influence sur ce qui l’entoure. Le Soleil, c’est la vie (oui, en plus du gras). Il ne se contente pas de nous baigner de lumière, essentielle pour la vie sur Terre, il nous protège aussi des particules pleines d'énergie qui se baladent dans l'espace et qui peuvent sacrément abîmer ta tatie, ton chien, Ryan Gosling, en bref, tout ce qui est vivant et que tu aaaiiimes. Cette protection est réalisée par le champ magnétique solaire, généré par des particules en mouvement à l’intérieur du Soleil. Ça fait peur dit comme ça, mais si tu veux éviter le mal de crâne, tu peux juste imaginer un champ de force en mode Star Wars, qui empêche les particules de rentrer. En plus réaliste, tu peux aussi revoir ci-dessous la petite expérience du lycée, avec un aimant et de la limaille de fer pour visualiser la forme du champ magnétique d'un aimant, forme tout à fait comparable à celle du champ magnétique du Soleil.

Le Soleil éjecte en permanence un tas de particules dans l’espace. C’est ce qu’on appelle le vent solaire. Le champ magnétique et le vent solaire forment une sorte de bulle gigantesque autour du Soleil, englobant toutes les planètes. C’est ce qu’on appelle l’héliosphère. Cette bulle n’est pas ronde, mais plutôt un peu allongée car le Soleil se déplace à travers le gaz de la galaxie.

Voyager 1 est sortie de l’héliosphère depuis 2012 et Voyager 2 est justement en train de le faire. Durant leur périple, on a déjà appris beaucoup sur les planètes géantes. L’activité volcanique de Io, la lune la plus proche de Jupiter,  a été révélée. Voyager 2 est jusqu’à aujourd’hui la seule sonde a avoir survolé Neptune, nous faisant découvrir des anneaux, 6 nouvelles lunes et également la présence d’un champ magnétique (les planètes peuvent aussi en avoir).

Voyager 1 a déjà fait plusieurs découvertes sur les confins de l’héliosphère, mais Voyager 2 devrait nous en apprendre encore plus, car certains des instruments hors service sur la première sonde fonctionnent encore sur la deuxième. Parmi ces découvertes, une zone appelée « mur d’hydrogène  » a été observée par les deux sondes. Ce n’est pas un vrai mur bien sûr (les scientifiques ont le don pour trouver des noms qui prêtent à confusion), mais une région où l’hydrogène (l’élément le plus abondant dans l’univers) émet de la lumière ultra-violette, sans qu’on en connaisse la cause précisément pour l’instant.

Autre découverte, la transition entre l’héliosphère et le milieu interstellaire ne se fait pas de matière douce, mais on trouve au contraire un fouillis de bulles en forme de saucisses (je cite) de quelques centaines de millions de kilomètres de large, produites par l’impact du vent solaire sur le milieu interstellaire.

Vers 2025, les deux sondes devraient être à court d’énergie pour faire fonctionner leurs instruments, mais d’ici là, nous aurons certainement appris encore beaucoup de choses ! Les deux sondes continueront alors leur route, emportant le disque contenant de nombreuses informations sur la Terre et l’humanité, jusqu'à atteindre dans 40 000 ans l'étoile Gliese 445...

Pour aller plus loin :
- le site du JPL où on peut suivre en direct la distance à laquelle se trouvent les sondes.
- une vue interactive 3D d’une sonde Voyager, pour voir à quoi elles ressemblent.

Les restes de 3 cadavres de galaxies ont été découverts par des astronomes abasourdis. Les faits datent d’il y a 12,4 milliards d’années alors que les galaxies étaient encore dans leur tendre jeunesse. L’arme du crime serait la force de gravité. Le coupable a été photographié en pleine action… Tous les détails dans notre reportage spécial !

Ce n’est pas la première fois que les astronomes observaient W2246-0526, c’est le nom de notre sympathique galaxie cannibale (ci-dessous une image d’artiste pour préserver son anonymat). Ils savaient déjà qu’elle était accompagnée de plusieurs galaxies satellites. C’est plutôt du genre courant pour les galaxies. La Voie Lactée, notre propre galaxie, a aussi ses petites copines, une cinquantaine même, qui se situent dans la zone d’influence gravitationnelle de la Voie lactée. Les plus connues sont les nuages de Magellan, que tu peux voir à l’œil nu si tu as la chance d’observer le ciel de l’hémisphère sud (#tropbeautropbeau).

Ce que l’observatoire ALMA a révélé, c’est que W2246 n’est pas exactement la voisine idéale. Elle est carrément en train de bouffer ses petites camarades. Ce sont des choses qui arrivent chez les galaxies.

Mais n’imagine pas une énoooorme collision à la Star Wars avec un gros boum holywoodien. Déjà, je te rappelle qu’il n’y a pas de son dans l’espace hein (il faut un support matériel - de l’air, de l’eau, du béton, du pastis, que sais-je - pour que le son se propage !), et ensuite une galaxie, ça a beau être des centaines de milliards d’étoiles et un joli paquet de gaz, ça reste quand même beaucoup moins dense que l’air que vous respirez. Les galaxies ont alors plutôt tendance à se traverser, tout en se déchirant sous l’effet de la gravité. Même si des collisions réelles entre étoiles se produisent, cela donne plutôt l’impression de voir deux tourbillons de liquide se mélanger (voir la vidéo ci-dessous).

Ce qui rend particulière cette observation, c’est à la fois le fait que c’est la galaxie cannibale la plus lointaine observée jusqu’ici, et également qu’elle est la plus lumineuse jamais observée. Elle brille aussi fort que 350 milliards de soleils.

D’après les calculs des astronomes, cette galaxie est 3 fois plus lumineuse que ce qui est normalement possible. Un mystère à résoudre qui pourrait nous en apprendre beaucoup sur les galaxies et leurs trous noirs...

Pour en savoir plus :

• l'article de recherche en question : Diaz-Santos et al. 2018
  
• la news du NRAO (en anglais)

Voici la suite du dossier sur les trous noirs ! Si vous avez raté le premier épisode, vous pouvez vous rattraper par ici !

Comme souvent, les mots sont un peu trompeurs et il est important de souligner qu’un trou noir n’est pas... un trou ! En résumé, un trou noir est une énorme quantité de matière concentrée en un tout petit volume, appelée singularité. Cette matière forme un creux très profond dans l’espace-temps, de telle sorte que si un photon franchit ce qu’on appelle l’horizon du trou noir, il ne pourra plus en sortir.

Cet horizon n’est pas une frontière physique. Si lors d’un voyage (un tantinet imprudent) dans l’espace, vous le franchissiez, vous ne remarqueriez rien. Seulement, une fois à l’intérieur, il vous serait impossible de transmettre un message d’adieu à votre collègue resté prudemment à distance (pas fou le collègue). Et même avec le vaisseau spatial le plus puissant qui soit, vous ne pourriez plus sortir du trou noir...

Nous connaissons maintenant le principe général du trou noir, mais tous les trous noirs ne se valent pas : certains sont microscopiques tandis que d’autres sont des monstres galactiques. Pour s’y retrouver, les astrophysiciens les ont classé en trois familles.

Des trous noirs microscopiques qui s'évaporent

Par ordre de masse, nous trouvons d’abord les microtrous noirs. Ils sont  aussi appelés primordiaux, car on pense qu’ils se sont formés il y a environ 13 milliards d’années alors que l’univers était bien plus dense et chaud qu’aujourd’hui. Le physicien Stephen Hawking a proposé que ces trous noirs puissent s’évaporer et même disparaître. Les plus gros microtrous noirs pourraient être encore aujourd’hui en train de s’évaporer, mais leur petite taille et leur faible interaction avec leur environnement font qu’aucun n’a été encore détecté à ce jour.

Les trous noirs stellaires : cadavres d'étoiles

La deuxième catégorie regroupe les trous noirs stellaires. Ces trous noirs sont en réalité des cadavres d’étoiles massives (plusieurs fois la masse du Soleil au moment de leur mort). Toutes les étoiles passent leur vie à lutter contre la gravité, qui tend à les écraser sur elles-mêmes. Vous-mêmes, vous subissez votre propre force de gravité (personne n'est gros hein, c'est pareil pour tout le monde). A votre échelle, vous ne vous en rendez pas compte. Si vous êtes une étoile, c'est pas la même, vous vous en doutez. Heureusement, les étoiles disposent de plusieurs moyens de lutter contre cette mort certaine, et leur première technique s'appelle la fusion nucléaire.

Les étoiles sont composées en majorité d’hydrogène, qui est l’atome le plus simple : un proton accompagné d’un électron. Dans les conditions qui règnent à l’intérieur d’une étoile, la matière est sous forme de plasma, c’est-à-dire sous forme de soupe dans laquelle flottent indépendamment protons et électrons. Le feu, par exemple, est un plasma.

En temps normal, pas moyen de coller un proton à l'autre. Une force colossale les tient à bonne distance les uns des autres. Mais, la densité et la température sont tellement élevées dans les étoiles pour que les protons sont capables de fusionner, ce qui libère une grande quantité d’énergie sous forme de photons (de la lumière !). Cette forte émission de lumière permet alors de contrebalancer la gravité pendant un certain temps.

Mais lorsque les réserves d’hydrogène et d’autres éléments s’épuisent, c'est foutu, la gravité va écraser l’étoile sur elle-même, jusqu’à ce que sa taille soit comparable à celle de la Terre. A ce moment-là, la matière est si dense que les électrons se retrouvent serrés les uns contre les autres. Or les électrons, comme les protons, détestent être les uns sur les autres, ils vont alors s’agiter en tous sens pour éviter cette situation. Cela crée ce qu’on appelle une pression de dégénérescence, qui est capable de contrebalancer la gravité. Si l’étoile a une masse inférieure à 1,4 fois la masse du Soleil, son évolution s’arrêtera là et elle sera appelée naine blanche.

C’est le destin qui attend notre Soleil dans 4 à 5 milliards d’années (voire un petit peu plus selon les dernières estimations). Il se refroidira alors extrêmement lentement, jusqu’à devenir une naine noire, n’émettant quasiment plus de lumière.

Par contre, si la masse de l’étoile est plus importante que 1,4 fois la masse du Soleil, l’agitation des électrons ne suffira pas  à contrebalancer la gravité et l’étoile s’effondrera de nouveau, jusqu’à ce que son rayon atteigne seulement quelques dizaines de kilomètres. La densité est alors telle que les neutrons, qui sont les autres particules composant les noyaux avec les protons, sont alors à leur tour pris d’agitation et arrêtent l’effondrement. L’étoile est alors appelée étoile à neutrons.

Il existe des étoiles de plusieurs dizaines, voire de plusieurs centaines de masses solaires. Pour celles-ci, rien ne peut arrêter leur énorme force de gravité. Elles passent très rapidement par les stades de naine blanche et d’étoile à neutrons. La gravitation devient alors tellement forte que la lumière émise par l’étoile ne peut plus s’échapper. Si l’on pouvait observer une de ces étoiles massives à ce moment-là, on verrait l’horizon du trou noir apparaître en son centre et grossir jusqu’à englober toute l’étoile. Celle-ci disparaîtrait alors de notre vue pour toujours.

Des monstres affamés au centre des galaxies

Pour terminer notre promenade au bestiaire des trous noirs, passons enfin aux plus grands monstres de l’univers : les trous noirs galactiques. Avec leur masse variant de plusieurs millions à plusieurs milliards de masses solaires, ils sont tapis au centre de presque toutes les grosses galaxies. Le déroulement de leur naissance et de leur croissance n’est pas encore parfaitement connu. Dans un premier scénario, les premiers trous noirs de l’histoire de l’univers étaient plus massifs qu’aujourd’hui et en ont ensuite mangé d’autres. Une autre hypothèse envisagée est l’effondrement d’énormes nuages de gaz et de poussière qui formeraient alors directement les trous noirs galactiques.

Le plus connu des trous noirs galactiques est celui qui se trouve au centre de notre galaxie, la Voie Lactée, et qu’on appelle Sagittarius A* (abrégé par SgrA*) car il est situé dans la constellation du sagittaire. Sa masse a beau être égale à quatre milliards de fois la masse du Soleil, les astrophysiciens n’ont eu les premiers indices de son existence qu’en 1979 et leurs premières certitudes datent seulement de la fin des années 90. Il faut dire pour leur défense que SgrA* est situé à 26 000 années-lumière de nous. L’observer, c’est comme essayer de voir un cheveu à 380 km de distance !

Comment observer un trou noir ?

Heureusement il existe de nombreux moyens indirects pour observer un trou noir. En regardant les étoiles tourner autour de SgrA*, les astrophysiciens ont pu par exemple déterminer sa masse. Ils peuvent également observer la lumière émise par les trous noirs lorsqu’ils dévorent de la matière. D’autre part, avec leur forte gravité, les trous noirs se trahissent en déviant et en déformant la lumière qui passe près d’eux. Les étoiles derrière eux peuvent alors apparaître dupliquées ou leur lumière amplifiée.

Un autre moyen d’obtenir des informations sur les trous noirs est de regarder comment ils déforment l’espace-temps autour d’eux. Quand par exemple deux trous noirs tournent l'un autour de l'autre, ils génèrent des ondes gravitationnelles, c'est-à-dire des sortes de vagues qui se propagent et déforment sur leur passage à la fois l'espace et le temps (Lire ici l'article sur leur première détection).

Sur l'image ci-dessous, vous pouvez voir une simulation d'un trou noir en train de manger un nuage de gaz qui passe !

Les premières images directes de SgrA* devraient être obtenues dans les prochaines années, grâce au développement des radiotélescopes (observant les ondes radio) en réseau, comme ALMA (Atacama Large Millimeter Array). Le monstre nous laissera pour la première fois entrevoir sa silhouette, entourée de lumière, et ouvrira une nouvelle ère dans l’étude des trous noirs en permettant aux physiciens de tester la relativité d’Einstein dans des conditions extrêmes.

Si vous voulez savoir à quoi ressemblerait un voyage près d'un trou noir, le meilleur moyen reste encore de regarder le film Interstellar ! Les simulations du trou noir sont en effet basées sur de vraies équations (voir l'article pour plus de détails ici).

Envie de plus de trous noirs ? Consultez les dates de mes prochaines conférences ci-dessous ou bien demandez-moi carrément de venir en donner une par chez vous !