Quand Stephen Hawking nous éclairait sur les trous noirs

Décédé le 14 mars dernier à l’âge de 76 ans, Stephen Hawking apparaît dans l’imaginaire collectif, comme le plus éminent physicien depuis Einstein. Mais comment ses travaux ont-ils changé notre compréhension de l’Univers ?

Un trou noir représenté dans le film Interstellar (Paramount Pictures)

Rares sont les scientifiques dont le nom et le visage rayonnent autant auprès du grand public. Stephen Hawking était l’un d’eux. Le célèbre physicien britannique, qui s’est éteint le 14 mars dernier, aura marqué son époque. Il fut à la fois vulgarisateur hors-pair (son livre de vulgarisation Une brève histoire du temps a été vendu à plus de 10 millions d’exemplaires dans le monde), icône culturelle (au point d’apparaître dans son propre rôle dans Les Simpson) ou encore héros de son propre biopic (interprété par Eddie Redmayne dans Une Merveilleuse Histoire du temps sorti en 2014). Le chercheur aura eu un tel impact qu’il sera enterré au côté de Newton et Darwin à l’abbaye de Westminster.

Mais tout cela n’aurait jamais eu lieu si les théories de Stephen Hawking n’avaient pas changé la manière dont nous appréhendons la cosmologie moderne, en particulier grâce à ses travaux sur les trous noirs. Question : qu’est-ce qu’un trou noir ?

Stephen Hawking à Cambridge (Flickr / @ Lwp Kommunikáció / CC BY 2.0)

Un objet théorique

Les trous noirs sont des objets célestes tellement denses et massifs qu’ils attirent tout ce qui passe à leur proximité… y compris la lumière. C’est d’ailleurs la raison pour laquelle les trous noirs sont noirs : la lumière ne parvient pas à s’en y échapper. Cette idée a été initialement proposée en 1783 par John Mitchell, professeur à Cambridge. Il ne s’agissait alors que d’une hypothèse.

Ce n’est qu’à partir du XXème siècle que le concept de trou noir revient sur le devant de la scène scientifique, avec l’avènement de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, qu’il propose en 1915. Selon celle-ci, la matière déforme l’espace, attirant ainsi les corps alentours, comme une toile de trampoline qui se déforme quand on se tient au milieu. D’après la relativité générale, il est possible qu’une étoile soit tellement dense qu’elle déformerait l’espace autour d’elle au point de s’effondrer sous sa propre masse, formant ainsi un trou noir.

La matière déforme l’espace

De plus, il y aurait au centre des trous noirs un point où la gravité est infinie, comme un puits sans fond. Cela reviendrait à saisir notre toile trampoline et à l’étirer jusqu’à l’infini. Ce point est appelé une « singularité ». Bien que mathématiquement permise par les équations de la relativité générale, l’existence des « singularités » est réfutée par de nombreux chercheurs de l’époque, dont Einstein lui-même.

C’est entre 1965 et 1970 que Stephen Hawking et de son collègue Roger Penrose prouvent enfin que non seulement les singularités sont possibles au centre des trous noirs, mais qu’il y aurait également eu une singularité au moment du Big Bang et du début de l’univers. En 1971, les astronomes observent indirectement leur premier trou noir (Cygnus X-1 dans la constellation du Cygne). Le trou noir n’est plus une simple curiosité mathématique mais bel et bien un véritable objet physique.

Des trous noirs pas si noirs

Mais les travaux de Hawking sur les singularités ne sont pas sa seule contribution à la compréhension des trous noirs. Il démontre en effet en 1975 que les trous noirs … ne sont pas si noirs que ça : contrairement à ce qui était pensé jusque-là, ces derniers émettent un rayonnement. Ce « rayonnement de Hawking », prédit par la mécanique quantique, provoquerait l’évaporation des trous noirs : ces derniers se réduisent et perdent leur masse jusqu’à disparaître totalement.

La prédiction du rayonnement de Hawking pose cependant des problèmes de compatibilité entre la relativité générale, qui décrit la gravitation à des échelles macroscopiques, et la mécanique quantique, qui explique les phénomènes physiques à l’échelle de l’atome : en effet, si la relativité générale suppose  que ce qui entre dans un trou noir est à jamais perdu, la mécanique quantique stipule que l’information doit être conservée. C’est le « paradoxe de l’information », le dernier grand défi que Stephen Hawking a tenté de résoudre, mais qui reste à ce jour encore un mystère.

Néanmoins, les travaux de Stephen Hawking ont constitué un pas supplémentaire vers une description quantique de la gravité, qui réconcilierait l’infiniment grand et l’infiniment petit. En attendant, notre compréhension des trous noirs restera encore un moment … un peu obscure.

NPVS

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