Les trous-noirs, monstres destructeurs avec lesquels il nous faut vivre

Les trous-noirs sont des monstres redoutables dont nous sommes en principe aujourd’hui éloignés mais qui sont une des composantes essentielles de l’Univers, proche ou lointain. Avec les astéroïdes, les supernovæ, les radiations spatiales, le froid ou la chaleur extrêmes, le vide, l’apesanteur, ils font partis des dangers présents dans l’Espace que nous apprenons à connaître et où nous nous aventurons aujourd’hui. Leur particularité est que si un jour nous approchons trop près l’un d’entre eux, nous serions irrémédiablement absorbés et, entraînés vers sa « singularité », finalement déchirés et détruits jusqu’aux plus infimes composants de notre matière. La vie sur Terre bénéficie d’un environnement bien doux, confortable et relativement stable. Nous le voyons comme tel car nous sommes les produits de cet environnement, façonnés par lui avec sa propre matière par une très longue Histoire, et que notre vie est très courte à l’échelle des événements qui la ponctuent. Mais nous sommes également dans l’Espace et la Terre ne nous protège que si nous y restons ou si nous pouvons y rester et si elle-même n’est pas en danger. C’est notre mère mais elle est également vulnérable et nous-mêmes à travers elle. Elle aussi est emportée par l’Histoire et celle-ci ne s’arrête pas aujourd’hui. Elle continuera, avec ou sans nous, en fonction de nos actions sur elle (nous avons tendance ces jours à nous faire un peu trop remarquer !) et de son évolution propre ou de celle de son propre environnement : chute d’astéroïde géocroiseur géant (pas tout de suite mais loin d’être exclue) ou pluie d’astéroïdes provoquée par le rapprochement d’une étoile voisine perturbant le nuage de Oort de notre système solaire (non dans le proche avenir mais irrémédiablement « un jour » !), supernova d’une étoile voisine nous inondant de ses radiations mortelles (il y a quelques possibilités), épuisement du Soleil lorsqu’il aura brûlé une quantité suffisante de son hydrogène (nous sommes tranquilles pour quelques 500 millions d’années), rencontre avec un « petit » trou noir « primordial » (peu probable mais pas impossible quand même).

Mais qu’est-ce qu’un trou noir ?

On a pressenti dès le XVIIIème siècle (après Newton et avec l’astronome britannique John Michell en 1783 puis Pierre-Simon de Laplace en 1796) que des astres pourraient exister dont la force d’attraction serait telle que même la lumière ne pourrait s’en échapper (leur vitesse de libération atteignant celle de la lumière). Mais ce n’est qu’après Albert Einstein, puis Karl Schwarzschild (définissant son fameux « rayon »), qu’avec Robert Oppenheimer en 1939, on formalisera l’« objet » qui ne sera observé, indirectement, la première fois qu’en 1971 (« Cygnus X-1 » avec le télescope Uhuru de la NASA – lancé dans l’espace depuis Mombasa).

Parler de trou noir, c’est encore parler de masse et donc de gravité car un trou noir est un objet céleste si compact que l’intensité du champ gravitationnel qui en résulte, empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper (il « ralentit » même le Temps). C’est pour cela qu’on ne peut l’observer directement mais seulement par les effets qu’il a sur son environnement. Cet environnement ce peut être d’abord de la matière, qu’il triture et déchire (produisant des émissions de rayons X ou gamma en plus des émissions en d’autres longueurs d’onde du spectre électromagnétique ou encore des émissions de neutrinos et même d’ondes gravitationnelles s’il fusionne avec un autre trou noir ou absorbe une étoile à neutrons)…pourvu qu’il y en ait à proximité. Cet environnement c’est aussi les ondes lumineuses provenant des sources qui peuvent se trouver derrière lui en alignement avec nous, et qu’il va rapprocher visuellement et déformer (effets de loupe et de déviation). Cette force extrême s’exerce à partir d’un centre dit « singularité gravitationnelle », vers l’extérieur jusqu’à son « rayon des événements » dit aussi « de Schwarzschild » qui délimite tout autour de la singularité un volume sphérique dont la surface est dite « horizon des événements » mais il ne faudrait pas s’en approcher au-delà de la dernière orbite stable qui l’entoure, que l’on nomme « ISCO » (« Innermost Stable Circular Orbit »). Sur cette orbite qui se situe à 3 fois le rayon de Schwarzschild du trou noir, toute perturbation même infinitésimale conduirait irrémédiablement quelque objet que ce soit, à l’horizon des événements. Mais de toute façon, à cette distance, la vitesse de libération est pratiquement déjà inatteignable (> 122.000 km/s). Ce qui est surprenant sinon paradoxal, c’est que l’on pourrait franchir cet horizon vers l’intérieur sans s’en apercevoir sauf à vouloir repartir vers l’extérieur, car la densité (qui n’est pas la « compacité ») ne change pas brutalement lors du passage. Simplement lorsque l’on passe, « la barrière se referme ». Ce qui continue par contre c’est l’attraction vers le centre, la singularité. En fait c’est là où se cache vraiment le trou noir, on pourrait dire « sa tanière », car c’est là où la gravité (et la force d’attraction qui va avec) tend vers l’infini. Ceci implique que si la masse du trou noir est immense, la densité au niveau de l’horizon des événements sera encore faible. Pour « M87 » premier trou noir qui a été « vu », le 10 avril 2019 par l’Event Horizon Telescope, la masse est de 6,5 milliards de soleils, le rayon de 19 milliards de km (deux fois la distance du Soleil à Pluton) mais la densité de seulement 0,44 kg/m3 (44% de la densité de l’air) ! En fait la densité du trou noir (sa masse volumique) décroît avec sa masse (et donc sa taille) et si la densité pour les trous noirs massifs « normaux », comme Sgr A* au centre de notre galaxie reste très forte (9,5×105 kg/m3), et elle l’est a fortiori pour les petits trous noirs, un trou noir de la taille de l’Univers, aurait la densité…de l’Univers ce qui pourrait donner à penser que peut-être nous nous trouverions à l’intérieur d’un trou noir. Mais ce n’est probablement pas le cas car ce trou noir ne recevrait aucune matière de l’extérieur (seul moyen pour un trou noir de prendre de l’ampleur ou de connaître une « expansion ») et il serait empli d’une multitude de singularités (les autres trous noirs). Alors, réflexion subsidiaire, notre Univers serait-il un parmi d’autres, subissant les forces diverses (attraction / répulsion) de ses voisins ? C’est un autre sujet.

Comment parvenir à cette concentration de matière ?

Il est possible que de petits trous noirs provenant du Big-Bang, dits « primordiaux », se « baladent dans la nature ». Ils pourraient résulter selon Stephen Hawking et Bernard Carr, de l’effondrement gravitationnel lors de l’inflation cosmique de petites surdensités de l’Univers primordial. On ne sait pas où ils pourraient se trouver et ils ne sont donc encore que théoriques mais on dit de plus en plus que l’hypothétique « Planète-neuf » (la neuvième) de notre système solaire pourrait être l’un d’entre eux (peut-être parce qu’on n’arrive pas à la voir alors que « quelque chose » a une influence gravitationnelle forte au-delà de l’orbite de Pluton sur plusieurs planètes naines évoluant dans la ceinture de Kuiper).

Mais les trous noirs qu’on pourrait qualifier de « communs » ont une masse très importante et leur concentration résulte précisément de cette masse. Ils sont de deux types, les trous noirs « stellaires » et les trous noirs « supermassifs ». Les premiers (au moins trois masses solaires mais en principe pas plus d’une vingtaine) résultent de l’effondrement de grosses étoiles (au moins dix masses solaires à l’origine, avant supernova et éjection des couches extérieures de l’étoile) après qu’elles aient achevé la combustion interne de leurs éléments légers. Les seconds qui ont peut-être la même origine, résultent de l’accrétion d’énormément de matière (leur masse va de quelques millions à quelques milliards de masses solaires) dans la région la plus dense de leur galaxie, son cœur. Les premiers ne peuvent provenir que d’étoiles géantes, les masses autrement ne pourraient se contracter autant que nécessaire et on aurait des naines blanches ou des étoiles à neutrons. Mais les étoiles à neutrons peuvent elles aussi devenir des trous noirs en accrétant de la matière ou en fusionnant avec une autre étoile à neutrons. Les trous noirs supermassifs sont au cœur des galaxies spirales comme le Soleil est au cœur de notre système solaire. Provenant d’un effondrement ils sont obligatoirement en rotation et ils entraînent par force de gravité leur galaxie autour d’eux. Ils « tiennent » leur galaxie et se nourrissent de ses étoiles proches, devenant de ce fait encore plus puissants et entraînant davantage d’étoiles et de matière à fusionner avec eux, pourvu bien sûr qu’elles soient à portée de leur force d’attraction, qui s’accroît avec leur masse. Le nôtre, “Sgr A*”, a une masse de 4,15 millions de masses solaires. A noter que les classifications sont faites pour connaître des exceptions et il y en a évidemment aussi dans le cas présent. Ainsi on s’est étonné tout récemment (27 novembre 2019) de découvrir un trou noir stellaire (« LB-1 ») de 70 masses solaires dans un des bras spiraux de notre galaxie, à quelques 15.000 années-lumière de « chez nous ». Mais je m’étonne que l’on s’étonne puisqu’il n’y a pas de seuil de masse entre 20 et 70, et même beaucoup plus, au-delà duquel on assisterait à la création d’un autre phénomène.

Nous sommes à 25.000 années-lumière de notre centre galactique donc de son trou noir central (la Voie-Lactée a un diamètre d’environ 100.000 années-lumière). C’est notre cœur mais il est noir et il nous est hostile. Il n’est pas certain qu’il nous absorbe un jour (outre son appétit d’ogre cela dépendra sans doute de l’accélération ou de la décélération de l’expansion de l’Univers) mais son voisinage est quand même effrayant.

NB : je ne parle pas ici de tous les effets possibles des trous noirs car je voulais insister sur le danger qu’ils présentent. Mais en agissant sur la matière, le trou noir agit aussi sur le temps et comme il agit sur la lumière, il peut servir de lentille gravitationnelle, sorte de loupe qui rapproche de nous les rayonnements les plus lointains ; les astronomes sont ravis de pouvoir s’en servir ! 

Remerciements à Monsieur Christophe de Reyff pour ses suggestions et conseils.

Illustration de titre : approche du trou noir Sgr A* (Sagittarius A*) de notre galaxie, crédit ESO/S.Gillessen et MPE, Marc Schartmann (2011). Cette illustration montre les trajectoires des divers astres qui orbitent au plus près de notre trou noir supermassif et le comportement d’un nuage de gaz en train de tomber vers le trou. Récemment on a observé une étoile accélérée à une vitesse prodigieuse à proximité de ce trou noir (>1000 km/s alors que le Soleil orbite le centre galactique à 240 km/s). Le couple qu’elle formait avec une autre étoile tombait dans le trou en fonction de la masse qu’elles constituaient ensemble. L’autre étoile s’y est proprement perdue ce qui a permis à la première de s’échapper avec une vitesse accrue, bien supérieure à ce que lui aurait donné sa seule masse propre si elle y avait été attirée sans sa compagne.

Image ci-dessous : Sgr A* vu par le télescope à rayons X, Chandra, crédit : NASA/Penn State/G.Garmire et al.

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Index L’appel de Mars 19 12 21

BONNE ANNÉE A TOUS!

Pierre Brisson

Pierre Brisson

Pierre Brisson, président de la Mars Society Switzerland, membre du comité directeur de l'Association Planète Mars (France), économiste de formation (Uni.of Virginia), ancien banquier d'entreprises de profession, planétologue depuis toujours.

27 réponses à “Les trous-noirs, monstres destructeurs avec lesquels il nous faut vivre

  1. Merci pour ces informations pointues sur les trous noirs qui nous guettent ou non, mais bon on fera avec, puisqu’il n’y a de toute façon pas d’alternative. Cela dit ce domaine de recherche, pour le non astrophysicien que je suis, reste passionnant et pimente mon attrait, modeste, pour le ciel nocturne.

  2. Passionnante étude, qui dépasse de très loin mes connaissances en astronomie – dans ce domaine j’en suis resté à Ptolémée. Permettez–moi tout de même deux questions de néophyte:

    1) Si, comme vous l’indiquez, le soleil nous entraîne à la vitesse de 240 km/seconde au bout de la Voie Lactée, elle-même en mouvement et si, d’après ce que j’ai pu lire par ailleurs – vous me corrigerez au besoin -, la terre tourne autour du soleil à la vitesse de quelques 1’440 km/heure (je cite ce chiffre de mémoire, ne disposant malheureusement plus de sa source) et sur elle-même, comment expliquer par quel miracle mon café demeure d’une stabilité parfaite dans sa tasse? (Serait-ce aussi une cause du pouvoir d’inertie du gouvernement suisse?)

    2) Selon les philosophes matérialistes de l ‘antiquité, Démocrite et Epicure, la pensée n’est que la matière consciente d’elle-même, thèse que reprendra Marx (dont la propre pensée ne serait alors, elle-même, que la matière consciente d’elle-même). Selon vous, dans quelle mesure cette théorie correspondrait-elle à celle de l’apparition de la pensée humaine?

    1. Merci de votre commentaire et de votre compliment !
      La Terre tourne autour du Soleil à quelques 108.000 km/h et non pas 1.440 km/h. NB : on compte généralement en km/s et avec cette référence la vitesse est d’environ 30 km/s, « environ » car la vitesse grandit quand on va vers le périhélie (point le plus proche) et diminue lorsque l’on va vers l’aphélie (point le plus éloigné). Dans un cas on est accéléré par la force d’attraction du Soleil sur la masse de notre planète et dans l’autre on va à l’encontre de cette force de gravité. Dans le cas de la Terre, l’orbite décrite est presque circulaire et donc les différences de vitesse sont très faibles (de 29,291 à 30,287 km/s), ce n’est pas le cas de Mars (par exemple).
      Dans l’Univers tout est mouvement, transformation, évolution, mais cette évolution s’effectue à des échelles de temps différentes, selon des lois (Physique) et dans le Temps. Tout comme nous, êtres vivants et parmi eux, espèce humaine, l’Univers à une Histoire, un passé et un avenir. On ne s’en rend pas compte à la surface de la Terre car la force de gravité de cette dernière est dominante (la masse de la Terre est incommensurablement plus forte que notre toute petite masse…ou celle de votre café dans la tasse) et aussi parce que notre vie est très courte au regard de l’évolution cosmique.
      Votre seconde question touche à la philosophie et plus précisément à la métaphysique. Sur le plan de la physique, il est vrai que nous sommes le produit d’une évolution sur Terre, avec les matières disponibles sur Terre et que l’évolution qui a conduit depuis les premières étincelles de vie jusqu’à notre cerveau et à ses facultés de conscience de soi et de l’extérieur de soi, ne s’est appliquée qu’à la matière. L’homme n’est pas le seul être vivant à disposer de cette faculté mais c’est celui qui en a porté la pratique au plus haut niveau par ses facultés d’attention, d’affect, de mémoire et de communication. Il semble que ce soit le « hasard » qui ait conduit jusqu’à nous mais le hasard a bien fait les choses car il aurait fallu des variations extrêmement fines par rapport à ce qui s’est produit, pour que nous n’existions pas (principe anthropique). On peut appeler le hasard comme on veut mais c’est un autre sujet.
      Nous sommes très loin des trous noirs mais vos question méritent certainement qu’on s’y attarde !

      1. Un grand merci pour vos réponses exhaustives et détaillées. En amateur, je m’intéresse au rapport entre les trous noirs et ce que les physiciens appellent “trous noirs informatiques” (en anglais: “black hole computers”), en particulier à l’hypothèse selon laquelle les trous noirs traiteraient en réalité de l’information en qubits (selon l’informatique quantique) et fourniraient ainsi un modèle informatique, comme le décrit cet article de “ScienceDirect” (juin 2019, volume 13): ‘https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211379719304036’.

        Selon cette hypothèse, un courant de photons aux niveaux d’énergie appropriés est utilisé comme input pour changer les états de l’ordinateur. De cette manière, une correspondance est établie entre les modèles physiques et informatiques du système qui peuvent ensuite contribuer à prouver sa complétude de Turing (“A stream of photons at the appropriate energy levels is used as input to change the states of the computer. In this way a correspondence is formed between the physical and computational models of the system which may then contribute to a proof of its Turing completeness.”)

        L’output serait le rayonnement de Hawking.

        La référence à la machine de Turing n’ouvre-t-elle pas de nouvelles perspectives de recherche dans le domaine des rapports entre physique et théorie de l’information, comme le montrent, par exemple, les travaux de J.D. Bekenstein
        dans “Black holes and information theory”, Contemporary Physics, 45 (1) (2003), pp. 31-43?

        D’autre part, que pensez-vous de l’idée selon laquelle la physique peut être conçue comme programme informatique et l’univers comme un ordinateur, déjà émise par deux scientifiques américains, Seth Lloyd et Y. Jack Ng, dans cet article du “Scientific American” d’avril 2007: “Black Hole Computers […] researchers can think of the laws of physics as computer programs and the universe as a computer”? S’agit-il de science-fiction ou cette hypothèse est-elle fondée?

        Merci aussi pour m’avoir précisé la réelle vitesse de déplacement de notre bonne vieille Terre autour du Soleil. Ceci me fait apprécier d’autant plus mon café…

        1. @Rolling Mop
          Pour répondre plus directement à votre première question, la stabilité de votre café dans sa tasse ne dépend pas de la vitesse à laquelle il se déplace, que ce soit la vitesse du Soleil autour de la galaxie, de la Terre autour du Soleil ou même du TGV ou de l’avion dans lequel il se trouve, mais de l’accélération (c’est-à-dire du changement de vitesse) qu’il subit. Si la vitesse est (presque) constante, et donc l’accélération (presque) nulle, votre café restera bien tranquille. En revanche, si elle change brusquement (le train freine ou tourne; l’avion subit des vibrations) vous le remarquerez.

          Quant à votre valeur de 1440 km/h, cet ordre de grandeur correspond plutôt à la vitesse de rotation de la Terre sur elle-même (à une latitude d’environ 30°, si je ne me suis pas trompé dans mon rapide calcul). C’est donc peut-être ce paramètre que vous aviez en tête.

          1. Merci pour vos précisions et pour votre illustration très parlante du rapport vitesse/déplacement (deux bonnes raisons de ne plus prendre ni avion, ni TGV, soit dit en passant). Quant à la vitesse de 1440 km/heure, en effet, j’ai confondu celle du déplacement de la Terre sur son orbite avec celle de sa rotation (telle qu’elle est calculée à l’équateur, je crois).

  3. Les trois noirs sont forcément “nécessaires” à l’équilibre de tout le système de l’univers, la Nature (lisez Dieu) n’a rien fait au hasard. Chaque élément est essentiel pour le reste.
    Maintenant reste à comprendre qu’elle intention la Nature a eu de les créer. Un passage vers d’autres univers comme certains le disent ?
    Nous sommes encore loin de comprendre ces mécanismes célestes…
    Belle année 2020.
    Serge

  4. Bonjour M Brisson , votre texte est un très bon résumé des connaissances actuelles d’aujourd’hui . Mais elles seront sûrement dépassées très bientôt pour ce qui est des trou noir super massif a cause des nouveaux instruments employés dans un futur rapproché. Il y a plusieurs années que j’ai cette vision de nos galaxies et je suis très heureux de voir l’émergence associée aux nouvelles découvertes et bien hâte de voir les découvertes qui seront bientôt faites sous peux, voir ce qui se cache derrière l’invisible des trous noirs super massif et l’explication réelle d’une étoile a neutron. Hâte de voir ma théorie ce déployer devant mes yeux qui confirmera l’existence de plusieurs étoiles à neutron tourbillonnant a des vitesses supérieures à la lumière qui ce détruisent en éjectant du plasmas d’antimatières et de matières défait. Voir aussi la température réelle des étoiles à neutron qui selon moi (très froide) est l’inverse des prédictions d’aujourd’hui basé sur l’explosion de la supernova (très chaude) , qui est plutôt très froide en état de supraconduction protégée par son bouclier magnétique (comme une goutte d’eau qui ce promène sur une plaque brûlante) jusqu’à l’épuisement de celui-ci. Peut-être suis je dans l’erreur mais les tendances me donnent raison a chaque découverte supplémentaire. Merci d’avoir vulgarisé en des mots claires la réalité des connaissances d’aujourd’hui.

    1. Bonjour Monsieur,
      Merci de vos compliments mais je ne comprends pas votre théorie. Pour être compréhensible une théorie doit être démontrée, non simplement ressentie.

  5. Trous noirs et information, vaste sujet, en effet !
    .
    Dans notre monde, l’expérience montre que, en général, l’information est, en gros, proportionnelle au volume : il y a plus de livres dans une plus grande bibliothèque, il y a plus de bits enregistrés dans des puces d’ordinateur de plus en plus nombreuses. Il n’en est pas de même pour les trous noirs de plus en plus massifs et de plus en plus volumineux (mais de densité allant fortement décroissant jusqu’à atteindre la densité critique lorsque l’on parle de l’Univers). L’information que les trous noirs contiennent est proportionnelle non pas à leur volume, mais à leur surface. Il en est de même de l’entropie d’un trou noir. Le facteur de conversion entre entropie et surface, ou entre information et surface, est tout simplement ¼, comme l’a démontré Hawking : le nombre de bits d’information contenu dans un trou noir est proportionnel au quart de la surface du trou noir, exprimée en unités de surfaces de Planck (2,613 10^-70 m^2). Son entropie vaut aussi un quart de sa surface, mais en unités élémentaires d’entropie, soit en unité de constante de Boltzmann (1,380 10^-23 J/K). Le plus petit trou noir, théoriquement concevable, aurait une masse minimale égale à une fois la masse de Planck (2,176 10^-8 kg) et un rayon égal à deux longueurs de Planck (1,616 10^-35 m) et donc une surface égale à 16 π fois le rayon de Planck au carré, donc 50,265 surfaces de Planck. Il contient 12,566 unités élémentaires d’entropie (en constante de Boltzmann) et (en divisant par Ln 2) 18,129 bits d’information sur sa surface.
    .
    Bekenstein a montré que tous les trous noirs massifs et supermassifs sont les objets massifs contenant le maximum possible d’entropie, au sens thermodynamique du terme, valant exactement la constante de Boltzmann fois l’aire du trou noir, divisée par quatre fois la longueur de Planck au carré ; c’est la formule de Bekenstein-Hawking. Le principe holographique, que Bekenstein a énoncé, relie ce contenu d’entropie thermodynamique (qui est aussi liée au logarithme du nombre des micro-états possibles ou au nombre de bits fois Ln 2) à l’entropie au sens de Shannon (comme mesure de l’information). Par extrapolation à l’Univers (à la limite, le plus grand trou noir possible), celui-ci peut être considéré comme un vrai hologramme qui peut être dit « isomorphe » à toute l’information « inscrite » à sa surface, celle de son horizon. C’est là le fondement du principe holographique.

    1. Peut-être cet article de Christian Wüthrich, de l’Université de Genève, “Are black holes about information? (août 2017) pourra-t-il vous intéresser? ‘http://philsci-archive.pitt.edu/13334/1/WuthrichChristian2017TrustTheory_BHThmdyn_philsci1.pdf’

      Par ailleurs, si un trou noir peut être simulé par une machine de Turing et celle-ci mise en oeuvre en programmation logique, ne serait-t-il pas possible de le représenter dans ce formalisme? Voici un court programme, dû à Markus Triska, émulant une machine de Turing en Prolog:

      turing(Tape0, Tape) :-
      perform(q0, [], Ls, Tape0, Rs),
      reverse(Ls, Ls1),
      append(Ls1, Rs, Tape).

      perform(qf, Ls, Ls, Rs, Rs) :- !.
      perform(Q0, Ls0, Ls, Rs0, Rs) :-
      symbol(Rs0, Sym, RsRest),
      once(rule(Q0, Sym, Q1, NewSym, Action)),
      action(Action, Ls0, Ls1, [NewSym|RsRest], Rs1),
      perform(Q1, Ls1, Ls, Rs1, Rs).

      symbol([], b, []).
      symbol([Sym|Rs], Sym, Rs).

      action(left, Ls0, Ls, Rs0, Rs) :- left(Ls0, Ls, Rs0, Rs).
      action(stay, Ls, Ls, Rs, Rs).
      action(right, Ls0, [Sym|Ls0], [Sym|Rs], Rs).

      left([], [], Rs0, [b|Rs0]).
      left([L|Ls], Ls, Rs, [L|Rs]).

      rule(q0, 1, q0, 1, right).
      rule(q0, b, qf, 1, stay).

      /*
      Exemple de requête et résultat:

      ?- turing([1,1,1], Ts).
      Ts = [1,1,1,1];
      */

      Cet exemple démontre une manière de décrire le fonctionnement d’une machine de Turing (MT) en utilisant un langage de programmation logique comme Prolog. L’idée consiste à exprimer le processus entier comme une relation ente “états”. Dans ce cas particulier, l’état concerné comprend le contenu du ruban d’une MT et la position de la tête sur le ruban (pour une introduction très accessible aux MT, voir le simulateur qu’en a fait M. Triska avec son programme “alana”:
      ‘https://www.metalevel.at/alana/alana.pdf’. Ce système, facile à installer et à utiliser, est idéal pour s’initier aux MT, même pour un non-mathématicien ou un non-physicien. En effet, les quelques mises en oeuvre de MT disponibles en réseau sont peu didactiques et difficiles à utiliser).

      1. Merci pour ,,, l’information concernant les travaux du Pr Wüthrich.
        Je rappelle simplement qu’un trou noir est un objet « simple », ayant peu de propriétés : une masse, plus, en général, un moment cinétique et éventuellement une charge électrique ou magnétique. L’horizon qui nous en sépare ne nous permettra jamais de savoir ce qu’il y a à l’intérieur, au delà de cet horizon, en particulier ce qu’il en est de cette fameuse singularité centrale. Nous ne pouvons décrire et vérifier expérimentalement que ce qui se passe en deçà de cet horizon, appelé, faute de mieux, surface du trou noir. La limite de Bekenstein (« Bekenstein bound ») n’est que la valeur maximale d’information, correspondant é une entropie, elle aussi maximale possible. Bekenstein ne dit pas qu’un trou noir a effectivement cette valeur d’entropie, mais que, s’il en a une, telle serait sa valeur maximale possible, idem pour le nombre de bits d’information. À masse et dimension égales, deux trous noir peuvent être fort différents ayant été formés par deux processus différents avec des « histoires » différentes. Seul le maximum possible est le même.

        De plus, il ne faut pas oublier qu’un trou noir isolé (qui n’agrège plus rien autour de lui) s’évapore avec le temps qui passe, certes très lentement, mais inéluctablement, mais d’autant plus vite qu’il devient plus petit. Le rayonnement de Hawking qui en serait (sera) la preuve, emporte entropie et information ; ainsi l‘entropie effective et aussi l’entropie maximale possible d’un trou noir diminuent avec le temps, puisque cette entropie maximale possible est d’autant plus petite que le trou noir est plus petit, parce que moins massif et que son horizon est aussi plus petit. Je pense qu’il y a loin entre une MT et un trou noir.

        1. Merci à vous pour votre réponse et pour cet utile rappel au sujet des trous noirs. Bien entendu, il ne saurait être question de confondre ceux-ci avec une MT. Bekenstein (2003) n’en parle d’ailleurs pas. Un tel rapprochement ne peut être qu’analogique, à mon avis. C’est l’article de Jérôme Durand-Losel, du Laboratoire d’Informatique Fondamentale de l’Université d’Orléans, “Black hole computation: implementations with signal machines” (‘https://www.univ-orleans.fr/lifo/Members/Jerome.Durand-Lose/Recherche/Publications/2008_UC_WorkPC.pdf’) qui m’a incité à le faire. En effet, dans cet article, l’auteur définit la simulation MT dans le cadre de la programmation discrète (“discrete computation”) sans prendre position sur la faisabilité théorique et pratique de considérer les trous noirs comme modèles de l’informatique à haut rendement (“No position is taken on the theoretical and practical feasibility of using any potentially existing particular black hole for hyper-computing”).

          Une MT peut être plutôt rapprochée d’un réseau de transition augmenté, d’ailleurs quasi abandonné aujourd’hui, ou à un réseau de transition récursif en traitement automatique du langage. C’est d’ailleurs dans ce domaine que des applications sont possibles.

          Considérer les phénomènes physiques, et en particulier les trous noirs, comme modèles pour l’informatique, rarement enseignée sous cet angle, ne me paraît pas moins une idée fort intéressante, et même passionnante.

          Merci encore pour votre réponse. A l’avenir, je veillerai à ne pas confondre les genres, plutôt deux fois qu’une…

  6. Bonjour. Merci pour cet article. Petite rectification : vous dites que nous sommes tranquilles pour 500 millions d’années concernant le soleil. Sauf erreur de ma part, je crois que nous sommes en fait tranquilles pour… 5 milliards d’années avant qu’il ne se transforme en géante rouge puis qu’il ne finisse par exploser.

    1. Malheureusement je confirme les 500 millions d’années. En effet la température va augmenter ce qui va pousser l’evapotranspiration, épuiser le CO2 et rendre de plus en plus difficile la photosynthèse des plantes. L’actuel réchauffement climatique n’y est pour rien, c’est juste le fonctionnement du Soleil ou plutôt la quantité d’hydrogène qui aura été consommée par le fonctionnement normal du Soleil.

      1. Merci pour la précision, je comprends mieux votre propos qui concerne donc plus le cycle du carbone sur Terre que les capacités intrinsèques du Soleil à produire de l’énergie et à fusionner l’hydrogène, processus qui, lui, devrait encore durer 5 milliards d’années même si la vie sur Terre telle que nous la connaissons aura disparu d’ici là.

        1. Exactement, mais plus précisément ce sera quand même le Soleil qui par l’évolution de son activité “normale” (en dehors, entre autres, de notre intervention) conduira à l’augmentation de la température sur Terre donc à l’évaporation de l’eau, donc à la fixation du gaz carbonique donc à la modification du cycle du carbone. Ce point sert à mettre en évidence la fragilité des conditions dont nous bénéficions aujourd’hui, à leur non pérennité et à la faible probabilité (mais non à l’impossibilité) que ces conditions se soient reproduites ou se reproduisent ailleurs, dans l’espace, et se maintiennent dans le temps en contemporanéité avec nous.

  7. Je n’aime pas trop cette image de “monstre qui absorbe tout” que dégage cette description, elle est selon moi erroné, la gravité exercé est de la même nature que n’importe quel autre astre, tant qu’on ne s’en approche pas trop. Ce n’est pas plus dangereux que de s’approcher d’une étoile ou de s’écraser sur une planète trop lourde, c’est la mort dans tous les cas (sous des formes différentes certes). Pour ce qui est des possibles collisions, le vide qui sépare les astres est si énorme, que prendre en considération ce risque relève du ridicule.
    Ce n’est bien sûr que mon avis, je ne suis qu’un néophyte 🙂

    1. Si vous pensez que la force d’attraction d’un corps n’a rien à voir avec sa masse et la distance qui vous en separe, je ne peux rien pour vous! Cela veut dire que vous n’avez pas remarqué que les planètes tournent autour du Soleil en fonction de l’attraction que ce dernier exerce sur elles mais qu’en raison de sa proximité de la Terre, la Lune tourne autour de la Terre (elle est dans sa sphère de Hill). C’est grave!

      1. Si je peux me permettre, je pense que ce que veut dire joannick c’est que les trous noirs ne sont pas des “aspirateurs” qui vont irrémédiablement avaler toute matière présente dans l’univers contrairement à l’idée qu’on peut parfois s’en faire. Les lois de la gravité sont les mêmes pour un trou noir que pour n’importe quel corps. Même le titanesque M87* a un horizon des évènements de l’ordre de “seulement” 38 milliards de kilomètres soit moins de 0,005 année lumière, et bien qu’en réalité l’influence d’un trou noir s’étende au delà de son horizon, vous conviendrez qu’à l’échelle cosmique il s’agit de distances relativement faibles.

        Sur un plan plus lexical, le terme de “monstre”, dans l’esprit commun, évoque l’anomalie, la difformité. Or il n’existe pas d’anomalie en astrophysique, il n’y a que des paramètres qui peuvent prendre des valeurs extrêmes comme c’est le cas pour une singularité gravitationnelle ou alors des phénomènes que nous ne sommes pas encore en mesure de comprendre mais qui obéissent pourtant tous aux mêmes lois et sont donc d’un point de vue scientifique “normaux”.

        Qu’en pensez vous ?

        1. Pour l’anecdote j’avais d’ailleurs lu (sans arriver à me rappeler où exactement) que la gravité était une force assez “faible” puisqu’il faut toute la masse de la Terre pour maintenir une simple pomme de quelques grammes au sol… 🙂

          1. Comme vous le savez, la force de gravité s’exerce sur tous les corps…et pas seulement sur les pommes! Vous n’avez jamais entendu parler des avions qui s’écrasent ou des immeubles qui s’effondrent ou des hommes qui trébuchent?

        2. Attention! L’horizon des événements n’est que la limite du trou noir c’est à dire la distance à sa singularité gravitationnelle d’où rien, pas même la lumière, ne peut s’échapper (c’est pour cela que l’on dit que l’objet est “noir” et il l’est effectivement). A ce stade la vitesse de libération théorique serait donc supérieure à celle de la lumière. Au delà vous avez l’orbite ISCO, la dernière orbite stable, au niveau de laquelle la vitesse de libération est de 122000 km/s. Donc si vous ne maintenez pas cette vitesse, vous tombez sur le trou noir. Si vous vous en éloignez, la vitesse de libération diminuera petit à petit.
          Donc la force d’attraction du trou noir s’exerce sur toute la matière composant la galaxie mais les vitesses de libération diminuent quand on s’en éloigne, comme la vitesse de libération de l’attraction du Soleil diminue lorsqu’on s’en éloigne.
          Bien sûr “monstre” veut dire quelque chose d’anormal mais dans le langage courant cela veut dire quelque chose d’énorme ou d’horrible. Par ailleurs l’accumulation énorme de matière dans un trou noir, rejoint votre définition. Les trous noirs sont communs mais ils constituent à bien des égards une anomalie (ou une forme extrême, ce qui revient au même) par rapport aux autres formes d’agglomération de la matière.

          1. “Attention! L’horizon des événements n’est que la limite du trou noir”

            J’ai pourtant bien écrit dans mon commentaire : “l’influence d’un trou noir s’étend(..) au delà de son horizon”. Pour autant cela ne signifie pas qu’un trou noir aussi massif que M87* “aspire” toute sa galaxie comme un “monstre” glouton. Je crois (mais c’est à lui de le confirmer) que c’est ce que voulait dire joannick gardize.

            A masse égale l d’un trou noir est le même que celui d’une étoile ou d’une planète. Ainsi, si on remplaçait le Soleil par un trou noir de masse équivalente, les orbites des planètes du système solaire seraient inchangées. Ce qui ne veut pas dire que ce trou noir hypothétique n’aurait pas d’influence sur le système solaire tout entier : il n’en aurait juste autant que le Soleil : sa masse a bien une influence sur le système solaire dans son ensemble sans que nous soyons pour autant “happés” vers sa surface.

            J’insiste aussi sur la sémantique puisque c’est ce qui faisait réagir joannick gardize à la base : les trous noirs n’ont rien de monstrueux ou d’horrible (champ lexical terriblement anthropocentriste par ailleurs). Comme l’explique très bien Aurélien Barrau : “Les singularités sont des pathologies. Mais pas des pathologies de l’espace-temps; des pathologies des théories censées les décrire”. Donc l’objet que considérez comme “anormal” ne l’est que parce que vous tentez de le décrire depuis une théorie (la relativité générale) qui en est incapable. La mécanique quantique, en revanche, sait décrire ce genre d’objet ce qui lui enlève donc tout caractère “anormal”.

            Je n’ai, enfin, pas compris votre analogie avec l’aviation… Puisqu’il faut toute la masse de la Terre pour attirer une pomme de quelques grammes au sol, de toute évidence, un avion de plusieurs centaines de tonnes va y être attiré également, c’est une lapalissade ou alors un trait d’esprit que je n’ai pas saisi, vous voudrez bien m’en excuser.

          2. Bien entendu un trou noir d’une masse solaire aura toujours une masse solaire. Mais le centre d’une galaxie spirale est un milieu très dense et en rotation plus rapide qu’en périphérie. Les étoiles y sont d’autant plus nombreuses qu’on approche du centre et il faut très peu de perturbations pour que les rencontres ou modifications de trajectoire se produisent et que donc l’accrétion au trou noir se poursuive. Le trou noir augmente alors en masse et sa force d’attraction se renforce sur une distance plus grande, ce qui va encore déstabiliser des étoiles ou des nuages de gaz dans son environnement. C’est un processus cumulatif.
            Quant à votre discussion sur le mot “monstre”, je ne vois vraiment pas son intérêt. C’est peut-être de l’anthropomorphisme, on pourrait aussi dire une image mais de toute façon mes lecteurs auront bien compris sa signification: ces trous noirs centraux sont très impressionnants par l’importance de leur masse et par leur capacité à détruire tout matière organisée qui les approche et qui ne peut alors leur échapper.

    2. Je n’avais pas répondu à votre remarque sur la faible probabilité de rencontrer un trou noir. Il est vrai que je ne m’attend pas à en rencontrer un dans mon jardin! Je pensais plutôt à ce trou noir qui pourrait être l’hypothétique “Planète-neuf” et aux hypothétiques trous noirs primordiaux. S’ils existent ce qui est quand même fortement possible, ils représentent un risque pour les futurs voyages spatiaux à grandes vitesses (“relativistes”). Ils sont sans doute beaucoup moins nombreux que les astéroïdes mais leur rencontre constituerait un vrai problème. Ces vols à grandes vitesses semblent déjà théoriquement possibles (cf le projet Breakthrough Starshot qui vise à envoyer des voiles solaires dans le système d’Alpha-Centauri à 20% de la vitesse de la lumière). En fait à ces vitesses, la rencontre avec quelques particule de poussière que ce soit serait un problème, a fortiori celle d’un trou noir, d’autant qu’il seraient très difficile à repérer s’ils ne sont pas à proximité de matière (même si évidemment ils sont probablement très rares).

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