Quel destin pour les trous noirs…et pour nous?

L’évaporation des trous noirs est un phénomène dont la possibilité a été démontrée par Stephen Hawking dès 1974 mais qui n’est pas encore observable parce qu’il est très discret. Leur évaporation totale implique certaines conditions et requiert un processus extrêmement long mais n’est théoriquement pas impossible (il a sans doute déjà abouti pour les plus petits micro-trous-noirs, s’ils existent). En fait, tout pourra s’accélérer avec l’abaissement, dans très, très longtemps, de la température du fond-diffus-cosmologique (« FDC » ou en Anglais « CMB », « Cosmic Microwave Background ») dans laquelle nous baignons, en-dessous de celles des trous-noirs « stellaires », « intermédiaires » ou « supermassifs ». Etant les astres les plus denses, ceux-ci seront les derniers de notre Univers mais avant leur très lointaine et encore hypothétique disparition, ils « feront encore beaucoup parler d’eux » du fait de leurs forces d’attraction et de destruction tout à fait considérables.

Je rappelle quelques caractéristiques utiles pour comprendre les trous-noirs. Premièrement, ce sont des corps de masse suffisamment élevée par rapport à leur volume pour que leur vitesse de libération soit supérieure à celle de la lumière. C’est à dire que pour échapper à leur force d’attraction juste au-dessus de leur « horizon-des-événements » (jusque là où notre regard peut collecter de l’information), même un rayonnement d’énergie pure donc de masse nulle devrait se déplacer à une vitesse supérieure à celle de la lumière, ce qui est impossible d’après les lois de la physique. Deuxièmement, à la limite des trous-noirs  la force de marée est d’autant plus forte que le trou-noir est petit (parce qu’on est plus près de sa « singularité », son centre de gravité vers quoi toute masse et toute énergie convergent). Troisièmement on sait ce qui rentre mais on ne sait pas ce qu’il y a dans un trou-noir. On le déduit puisqu’on ne peut l’observer, mais il est probable qu’à sa singularité il ne peut y avoir ni molécule, ni atome, simplement des constituants de ces derniers (des quarks ?) et bien sûr de l’énergie, un peu comme dans le noyau de l’Univers juste après le Big-bang (certains d’ailleurs assimilent le Big-bang à l’explosion d’un trou noir extrêmement massif). Quatrièmement les trous-noirs sont des corps extrêmement froids mais ce sont des objets thermiques (plus précisément le meilleur exemple d’un « corps-noir » puisqu’ils absorbent toute énergie électromagnétique qu’ils reçoivent sans la réfléchir ni la transmettre) et leur différence de température par rapport à celle du FDC, négative (comme actuellement, sauf pour les plus petits, éventuels) ou positive (beaucoup plus tard et petit à petit en fonction de leur taille) est essentielle à son fonctionnement.

L’idée du trou-noir (ou d’une force de gravité telle qu’elle puisse retenir même la lumière) existe depuis Isaac Newton. Elle a été développée par Karl Schwarzschild puis Robert Oppenheimer mais c’est sans doute Stephen Hawking et Jacob Bekenstein qui ont fait faire le plus de progrès à notre compréhension du phénomène. Aujourd’hui on s’est mis d’accord sur les caractéristiques qui le définissent (masse, moment cinétique, éventuellement charge électrique), sur ses différents types (trou-noirs microscopiques primordiaux, stellaire, intermédiaires, supermassifs. On sait comment ils se forment et où l’on va trouver les supermassifs (quasars, centres galactiques) à moins qu’il existe aussi dans l’espace vide de tels trous noirs nus, sans aucune matière alentour. On se pose toujours des questions sur la réalité des trous-noirs microscopiques (primordiaux) puisqu’on ne peut pas les observer (trop petits !). Stephen Hawking a compris que les trous-noirs avaient une entropie et que cette entropie était proportionnelle à la surface de leur horizon des événements. Il a ajouté que puisque les trous noirs avait une entropie, ils devaient avoir une température non nulle et s’ils avaient une température, ils étaient susceptibles d’échanges thermiques et devaient éventuellement, à ce titre, émettre un rayonnement soit négatif, soit (plus tard) positif selon la température de l’environnement.

Mais ce rayonnement thermique n’est pas le seul. Il y en a un second, le « rayonnement de Hawking », tout à fait particulier, qui résulte de l’interaction de la masse du trou-noir avec son environnement immédiat dans le cadre de la physique quantique. Sa théorisation met en évidence que même en l’absence de toute matière qui viendrait à se trouver dans sa sphère gravitationnelle (définie par son horizon des évènements mais aussi, avant de l’atteindre, par son ISCO – dernière orbite circulaire stable), un trou noir n’est pas totalement isolé de cet environnement. Il interagit sur lui c’est-à-dire qu’il le modifie et que l’environnement le modifie lui-même. Cela semble à première vue impossible puisque le trou-noir est « noir » parce que, par principe, « rien » ne peut en échapper, pas même la lumière. Mais Stephen Hawking a montré que ce n’était pas tout à fait vrai. Le trou-noir interagit avec le vide parce qu’en fait le vide n’est pas tout à fait vide et que du fait de sa force gravitationnelle, le trou-noir exerce sur ce vide une force de marée. Cela suffit pour une certaine interaction.

En effet le vide n’est pas le néant. C’est un « vide-non-vide » car il fourmille de « vie » potentielle. A chaque « instant », selon la « théorie quantique des champs », une multitude de couples de particules et d’antiparticules suscitées par les champs de bosons qui sont la trame de l’Univers, surgissent du néant et s’annihilent mutuellement, immédiatement et ce dans une fluctuation éternelle.

Dans les environnements « normaux » on ne voit nulle trace de ces particules virtuelles mais non dans l’environnement des trous noirs car la force d’attraction gravitationnelle de ceux-ci y est telle que l’une des particules du couple particule/antiparticule peut être saisie, séparée de sa contrepartie par « force de marée » avant que l’annihilation se produise, et absorbée par le trou-noir. Actuellement ce sont des particules sans masses qui sont ainsi capturées, donc des photons surgissant comme les autres particules, en couple. Le photon et ce qu’on peut appeler l’« anti-photon » (bien que la différence entre les deux soit plus subtiles qu’entre les particules dotées d’une masse) sont émis dans le même faisceau mais la force de gravité qui s’exerce sur eux, crée un effet élongation de la fréquence d’onde qui les dissocie, l’anti-photon étant davantage « freiné » que le photon. Le trou-noir marque ainsi une préférence pour la particule « négative » qui résulte de sa faiblesse relative au sein de la même paire. La particule survivante, positive, peut alors échapper au champ gravitationnel tandis que le trou-noir qui a exprimé son énergie par exercice de sa force de marée, a, du fait de cette dépense, perdu en énergie. Il rétrécit et refroidit ; c’est la fameuse « évaporation ». Le surgissement de la particule du vide, qui peut sembler comme une « production » du trou-noir puisqu’il va en même temps avoir une répercussion dans l’autre sens à l’intérieur du trou-noir, est donc clairement initiée à l’extérieur de celui-ci. Evidemment l’effet de cette interaction est infinitésimal pour un seul couple de photons mais à grande échelle, elle ne l’est pas (même si elle reste extrêmement faible).

Plus la masse du trou-noir est importante, moins la force de marée est forte (ou plus la transition entre l’intérieur et l’extérieur est douce) et plus il est froid. Ce sont donc les trous-noirs les plus petits (rapport surface/volume le plus élevé donc le plus favorable au processus et aussi, température moins basse car la masse est moins importante) donc les moins froids qui ont l’évaporation la plus forte. On pourrait constater le phénomène sur des micro trous-noirs (par exemple un trou-noir de la taille d’un proton et d’une masse de 109 tonnes), sortes de grumeaux échappés de l’explosion primordiale (lors de l’éclatement de la Surface-de-dernière-diffusion) et dit justement « trous-noirs primordiaux », car leur température serait très proche de celle du CMB (vers 2,728 K). Malheureusement on n’a pas pu jusqu’à présent observer de tels trous-noirs et l’évaporation des plus gros est tellement faible (température d’un dix millionième de K pour un trou-noir de masse solaire) qu’elle sera elle aussi très difficile à observer. Reste les simulations en laboratoire. L’Institut de Technologie d’Israël en a fait une « analogue » avec du son figé dans le froid extrême (voir illustration de titre et lien ci-dessous).

Les températures des « gros » trous noirs (stellaires, intermédiaires ou supermassifs) sont extrêmement basses, bien en dessous de la température du FDC. Ils absorbent donc plus de radiations qu’ils en émettent, grossissent et se refroidissent toujours plus. Ils ne perdront de la masse, par rayonnement de Hawking, que lorsque leur température aura dépassé celle du FDC, c’est-à-dire dans le très lointain future ou la température du FDC sera descendue en-dessous de la leur.

Au « début », disons « actuellement » à l’échelle des temps cosmiques, seules des particules énergétiques, sans masse, les photons, peuvent s’évaporer. Mais on peut imaginer que cela changera avec la diminution puis l’inversion du différentiel de température avec l’extérieur. Les trous-noirs pourront alors rayonner selon le même principe, des éléments plus « lourds », des neutrinos puis des quarks et finalement peut-être exploser (comme peut-être notre propre Univers a explosé lors du Big-bang, si tant est qu’il soit lui-même un trou-noir).

Mais le chemin sera long car si on est parti de quelques 3000 K lors du CMB, on est, après 13,8 milliards d’années, descendus à 2,728 K et le refroidissement suit une courbe asymptotique vers un zéro qu’il n’atteindra peut-être jamais. Les trous noirs de taille solaire (et d’un rayon de 3 km) ont une température de 6 10^-8 K et s’évaporent en 10^67 années, soit 10^57 fois l’âge de l’Univers actuel ! Les trous-noirs du type de celui qui est au centre de notre galaxie, SgrA* (comme probablement celui qui est au centre de la galaxie d’Andromède) a une masse de 4,4 millions de Soleils (et un rayon de 10^10 m), une température de 10^-14 K et un temps d’évaporation de 10^87 années, soit 10^77 fois l’âge de l’Univers actuel (certains prétendent même que l’évaporation totale de ces trous noirs et des plus massifs ne serait pas possible).

***

Mais, avant leur éventuelle disparition, les trous noirs vont encore « faire parler d’eux ». Vous savez que la Galaxie d’Andromède et notre Voie-lactée se rapprochent au sein du Groupe-local. Le décalage vers le bleu (« blue-shift ») de ses étoiles en témoigne. Elles se trouvent encore à 2,537 millions d’années-lumière de distance mais ce n’est pas grand-chose au regard des dimensions de l’Univers (le Big-bang est aujourd’hui à quelques 46 milliards d’années-lumière bien qu’il ait eu lieu il y a 13,8 milliards d’années). Leur vitesse de rapprochement est de 130 km/s et il faudra environ 4,5 milliards d’années pour que la collision ait lieu. Que va-t-il se passer au contact qui, nous dit-on, sera frontal ? Si elles se rapprochent c’est que leurs masses s’attirent réciproquement. Dans chacune de ces masses, ce qui compte le plus puisque cela donne cohérence à l’ensemble, c’est le bulbe central de la galaxie et, au centre, le trou-noir supermassif central qui « pèse » environ 1/1000 de la masse contenue dans le bulbe. Quand les deux galaxies se toucheront (à la fois très vite en termes de vitesse absolue et très lentement en termes de vitesse par rapport à leur taille), ce sera un véritable (mais très long) feu d’artifice du fait des perturbations engendrées. Des nuages de gaz internes aux galaxies se concentreront, des étoiles naîtront de ces concentrations, il y aura bien sûr des rencontres entre les astres des deux galaxies malgré les distances énormes et le vide qui les séparent, et des fusions de tout type d’étoiles. Imaginez aussi le festin que le trou-noir de l’une et de l’autre pourront faire avec les astres qui se trouveront sur leur passage et qui étant de plus en plus nombreux vers le centre de gravité commun, formeront comme une nourriture de plus en plus dense et aussi parce que les directions de trajectoires des deux galaxies ne seront pas harmonisées entre elles. Ensuite, du fait de la force d’attraction gravitationnelle et de l’accrétion de plus en plus abondante de matière, la masse de l’un et l’autre trou-noir central devrait augmenter considérablement. La masse va à la masse et il serait naturel qu’après de très longues orbites en spirales de l’un autour de l’autre, il y ait fusion, comme lorsque deux planètes se rencontrent il y a fusion des corps et descente au centre de gravité commun des éléments les plus lourds pour former un nouveau noyau. Vous imaginez le choc et le spectacle, et la production soudaine et terrible d’énormes ondes gravitationnelles. Heureusement ou malheureusement (?) nous ne serons pas témoin de cette rencontre car elle se situera dans autant de temps que nous sommes séparés aujourd’hui de la naissance du Soleil, et ce dernier sera en fin de vie, une géante rouge et boursouflée jusqu’à Mars, notre Terre n’étant plus qu’un souvenir…dans la tête de personne, à moins qu’une forme d’intelligence issue ou non de l’homme (très probablement non, vue la durée qui nous sépare de cette époque) puisse en être témoin et vivre ainsi une expérience grandiose.

Les trous-noirs sont ainsi incontestablement des dangers pour tout ce qui existe mais on peut aussi les voir comme des soleils même s’ils sont noirs car ils sont également créateurs. Ce sont eux qui « tiennent » le cœur des galaxies et qui génèrent la course des étoiles autour d’eux comme un maelstrom génère un trou en spirale à la surface de l’Océan, favorisant les mélanges et les rencontres tout en semant la destruction. Les nouvelles étoiles, les supernovæ, les fusions d’étoiles, tout événement cataclysmique générateur d’éléments chimiques « métalliques » de plus en plus lourds et de plus en plus abondants dont demain sera fait, leurs doivent l’accès à la lumière.

Alors un jour peut-être tout cela disparaîtra dans une évaporation générale de toute matière et l’Espace sera vide et noir, un trou noir sans trou noir, fourmillant toujours de couples particules/antiparticules s’autodétruisant mais il n’y aura plus rien pour ajouter du désordre. L’entropie sera maximum et un nouvel « éon » pourra alors commencer…si Roger Penrose avait raison. Mais cela est vraiment très incertain et très, très loin.

Illustration de titre :

Analogie avec le son gelé, expérimentée en 2016 par le professeur Jeff Steinhauer de l’Institut de Technologie d’Israël :

https://trustmyscience.com/le-rayonnement-de-hawking-confirmation-et-preuves/

Illustration ci-dessous : Diagramme espace-temps schématisant le rayonnement de Hawking. Crédits : Northern Arizona University.

Références :

Le rayonnement de Hawking dans http://www.scholarpedia.org/article/Hawking_radiation

NB : Je remercie Christophe de Reyff pour l’aide qu’il m’a apportée pour mieux comprendre la matière de cet article.

Pour retrouver dans ce blog un autre article sur un sujet qui vous intéresse, cliquez sur :

Index L’appel de Mars 20 12 01

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.

13 réponses à “Quel destin pour les trous noirs…et pour nous?

  1. (le Big-bang est aujourd’hui à quelques 46 milliards d’années-lumière bien qu’il ait eu lieu il y a 13,8 milliards d’années) ?
    puisque rien n’est plus rapide que la vitesse de la lumière, comment peut-on savoir qu’une chose est distante plus que 13.8 milliards d’années lumière !?
    Les galaxies les plus lointaines sont mesurées à environ 13.4 milliards AL
    https://www.cieletespace.fr/actualites/gn-z11-la-galaxie-la-plus-lointaine-de-l-univers

    1. Il n’y a pas erreur de ma part. L’explication est que l’Univers est en expansion et qui plus est, en expansion accélérée. Un corps qui se deplace à la vitesse de la lumière dans ce milieu en cours de dilatation, parcourt donc une distance beaucoup plus grande que si ce milieu ne se dilatait pas.

        1. Pour le moment on la constate. Elle serait due à l’énergie sombre. Albert Einstein en a introduit la possibilité mathematique mais sans la comprendre (il voulait contrebalancer la force de gravité pour exprimer que l’Univers était statique).
          Il faut admettre que c’est toujours un nom pour habiller une ignorance.
          Cf mon article du 30 Novembre 2019.

  2. Merci pour cette belle promenade passionnante en astrophysique et impressionnante histoire en devenir mais que nous ne vivrons (malheureusement) pas. Je trouve par ailleurs séduisante l’idée d’un possible trou noir a l’origine du big-bang.

  3. Bonjour,
    Votre bel article inspire une question au béotien en la matière que je suis. On parle d’une dissymétrie matière – anti-matière peu après le big-bang. Aurait-elle pu être causée par des micro trous noirs primordiaux vu la préférence de ceux-ci pour certaines particules et pas d’autres ? Meilleures salutations.

    1. Question très intéressante.
      Pour moi l’Univers primitif, avant la Surface-de-dernière-diffusion était principalement constitué de matière.
      Si à cette époque l’anti-matière avait été presente en quantités très substantielles, aurait-elle pu réduire la masse de l’Univers et affaiblir l’expansion?
      Alternativement est-ce le déficit “fin” causé par la réaction matière/antimatiere depuis le big-bang jusqu’au moment de la surface de dernière diffusion qui a résulté dans une constante cosmologique juste positive et donc dans l’accélération ? Je veux dire une poussée initiale calibrée pour une certaine masse qui s’applique ensuite à une masse réduite par l’anihilation matière / antimatiere?
      Dans tous les cas l’Univers aurait eu une “préférence” pour la matière mais encore une fois le déséquilibre aurait été juste ce qu’il faut pour que l’acceleration soit juste positive (un tout petit peu plus que suffisante pour que l’expansion ne puisse que contrecarrer la gravité jusqu’à 6 ou 7 milliards d’années et la dominer ensuite).
      Pour ce qui est des micro trous-noirs primordiaux, ce pourrait être des surdensités existant au moment de la surface de dernière diffusion et qui auraient pu subsister du fait qu’elles étaient en équilibre thermique avec leur environnement, juste au moment de leur libération.
      Mais ces réflexions ne sont que des hypothèses.

  4. Et dire que des soucis sans gravité peuvent parfois prendre des dimensions énormes. Hormis l’intérêt purement scientifique que suscitent vos exposés, ils nous permettent certainement de relativiser la représentation que l’on peut se faire « de ce que nous sommes ». Pour moi c’est en me réveillant le matin, ou le soir avant d’éteindre la lumière que naissent ces interrogations destinées à s’évanouir, mais elles ont quand même pris le temps d’exister ! Puis les affaires courantes à régler, les projets pour les semaines, les mois, les années, les… avant de devenir rien, parfois même du jour au lendemain. Est-ce que l’optimisme, plus fort que la désolation, qui me gagne après la lecture de vos articles est-il raisonnable ?.. Non ! Parce qu’ensuite j’oublie les délais de mes affaires administratives urgentes ! Oui, parce que j’ai besoin de ces écrits pour la santé de ma pensée, pour qu’elle conserve ses forces dans un corps qui vieillit. Et puis quelle importance finalement de me poser la question sur l’âme que je posséderais personnellement, ou non. J’appartiens sans aucun doute possible à l’univers… Alors qu’il m’emporte !

  5. Tentative de réponse à M. Meylan.
    Votre hypothèse serait dans la ligne de la cosmologie cyclique conforme (CCC) du Prix Nobel de physique 2020, Roger Penrose, qui prévoit justement des restes de trous noirs d’un éon à l’autre. Mais cela ne fait que repousser le problème de l’explication ultime : pourquoi les trous noirs ont-ils une légère préférence à absorber les antiparticules, comme l’a montré Stephen Hawking ?
    Nous savons qu’il existe (à ce jour !) seulement 4 interactions fondamentales : la gravitation qui agit également sur les particules et les antiparticules qui ont rigoureusement même masse entre elles ; l’électromagnétisme qui agit symétriquement sur les particules et antiparticules qui ont simplement des charges opposées ; l’interaction nucléaire forte qui agit au sein des hadrons : les baryons (ou hadrons fermioniques) composé de 3 quarks, les antibaryons composés de 3 antiquarks, et les mésons (ou hadrons bosoniques) composés d’un quark et d’un antiquark ; et finalement l’interaction nucléaire faible. Seule cette dernière est très particulière : pour être concret, elle seule fait la différence entre la gauche et la droite. C’est la fameuse non conservation de la parité (P) qui a été mise en évidence théoriquement en 1950 par les Prix Nobel de physique 1957, Lee et Yang, et mesurée par Mme Wu (qui elle n’a pas reçu le Prix Nobel !) : par exemple, le noyau de l’atome de cobalt-60 subit la désintégration β- (béta moins) et on observe que son électron est toujours émis dans la même direction et jamais à l’opposé. Cela a donné le théorème CP, la charge (C) et la parité (P) se compensent par inversion : un antiatome de cobalt-60 émet son antiélectron β+ dans la direction opposée. Mais depuis 1964 on a observé que le théorème CP est aussi “légèrement” violé et, depuis, on pense que le théorème CPT tient. Ici T est un opérateur qui inverse le temps. Notre Univers, s’il a commencé au Big bang aurait succédé à un autre univers qui se serait terminé alors (le temps existant alors avant le Big bang). Vu de notre point de vue, le temps au-delà vers le passé est un temps inversé. Si la matière domine actuellement — il y aurait eu au début, lors de la baryogenèse et de la leptogenèse, un milliard plus une particules de matière (quarks et leptons) pour un milliard d’antiparticules (antiquarks et antileptons), ces deux milliards s’étant annihilées donnant 2 milliards de photons laissant une particule de matière : c’est bien le rapport actuel du nombre de photons sur le nombre de nucléons dans l’Univers, grosso modo 10^89 sur 10^80, soit aussi une densité de 410 millions de photons pour environ 6 nucléons par m^3 ! —, cela aurait été l’inverse dans l’éon précédent.
    Je donne ici une référence à un article d’Yves Sagnier, qui n’est pas des plus faciles, mais tout de même présenté de façon très pédagogique :
    http://ysagnier.free.fr/science/symetrie.htm#sdfootnote18anc
    La question peut continuer à être débattue…

  6. Article intéressant. Le sujet est abordé sur bien des points en termes d’hypothèses. Difficile toutefois de faire autrement. On peut cependant élaborer d’autres perspectives dans un souci de cohérence et qui s’intègrent dans un modèle plus construit. Notre modèle standard est loin de répondre à nos attentes. Voir sur les trous noirs “l’univers en un modèle unifié” en téléchargement libre sur le web

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