Notre amour des trous noirs continue de croître à mesure que notre connaissance de ces corps célestes s'élargit. La dernière nouvelle est la découverte d'un rare trou noir "de poids moyen", un nouveau venu dans la famille des trous noirs.

Nous savions déjà que certains trous noirs ne sont que quelques fois la masse de notre soleil, tandis que d'autres sont plus d'un milliard de fois plus massives. Mais d'autres avec des masses intermédiaires, comme celui 2, 200 fois la masse de notre soleil récemment découverte dans l'amas d'étoiles 47 Tucanae, sont étonnamment insaisissables.

Alors qu'en est-il des trous noirs, ces prisons gravitationnelles qui piègent tout ce qui s'en approche trop, qui capte l'imagination des gens de tous âges et de toutes professions?

« Étoiles noires »

Dès 1783, dans le cadre de la dynamique newtonienne, le concept d'"étoiles noires" avec une densité suffisamment élevée pour que même la lumière ne puisse échapper à leur attraction gravitationnelle avait été avancé par le philosophe et mathématicien anglais John Michell.

Presque immédiatement après qu'Albert Einstein a présenté sa théorie de la relativité générale en 1915, qui a supplanté la description de notre univers par Newton et a révélé comment l'espace et le temps sont intimement liés, son compatriote allemand Karl Schwarzschild et le néerlandais Johannes Droste ont indépendamment dérivé les nouvelles équations pour une masse sphérique ou ponctuelle.

Bien qu'à l'époque, la question était encore une curiosité mathématique, au cours du quart de siècle qui a suivi, les physiciens nucléaires ont réalisé que des étoiles suffisamment massives s'effondreraient sous leur propre poids pour devenir ces trous noirs précédemment théorisés.

Leur existence a finalement été confirmée par des astronomes utilisant de puissants télescopes, et plus récemment, les trous noirs en collision ont été à l'origine des ondes gravitationnelles détectées avec l'instrumentation LIGO aux États-Unis.

Un objet dense

La densité de tels objets est ahurissante. Si notre soleil devenait un trou noir, il devrait s'effondrer de sa taille actuelle de 1,4 million de km de diamètre à un rayon de moins de 3 km (6 km de large). Sa densité moyenne au sein de ce « rayon Schwarzschild » serait de près de 20 milliards de tonnes par centimètre cube.

La force et l'attraction croissantes de la gravité à mesure que vous vous rapprochez d'un trou noir peuvent être dramatiques.

Sur Terre, la force de l'attraction gravitationnelle qui vous maintient à sa surface est à peu près la même à vos pieds qu'à votre tête, qui est un peu plus éloigné de la planète.

Mais près de quelques trous noirs, la différence d'attraction gravitationnelle de la tête aux pieds est si grande que vous seriez séparé et étendu à un niveau atomique, dans un processus appelé spaghettification.

En 1958, le physicien américain David Finkelstein a été le premier à comprendre la vraie nature de ce que l'on a appelé l'« horizon des événements » d'un trou noir. Il a décrit cette frontière autour d'un trou noir comme la membrane unidirectionnelle parfaite.

C'est une surface intangible encapsulant une sphère de non-retour. Une fois à l'intérieur de cette sphère, l'attraction gravitationnelle du trou noir est trop grande pour s'échapper, même pour la lumière.

En 1963, le mathématicien néo-zélandais Roy Kerr a résolu les équations des trous noirs en rotation plus réalistes. Celles-ci ont donné des courbes fermées ressemblant au temps qui ont permis un mouvement en arrière dans le temps.

Alors que de telles solutions étranges aux équations de la relativité générale sont apparues pour la première fois dans les travaux de 1949 du logicien austro-américain Kurt Gödel, on pense généralement qu'ils doivent être un artefact mathématique encore à expliquer.

Trous noirs et blancs

En 1964, deux américains, l'écrivain Ann Ewing et le physicien théoricien John Wheeler, introduit le terme « trou noir ». Ensuite, en 1965, l'astrophysicien théoricien russe Igor Novikov a introduit le terme "trou blanc" pour décrire l'hypothétique contraire d'un trou noir.

L'argument était que si la matière tombe dans un trou noir, alors peut-être qu'il est vomis dans notre univers à partir d'un trou blanc.

Cette idée est en partie ancrée dans le concept mathématique connu sous le nom de pont Einstein-Rosen. Découvert (mathématiquement) en 1916 par le physicien autrichien Ludwig Flamm, et réintroduit en 1935 par Einstein et le physicien américano-israélien Nathan Rosen, il a été appelé plus tard un "trou de ver" par Wheeler.

En 1962, Wheeler et le physicien américain Robert Fuller ont expliqué pourquoi de tels trous de ver seraient instables pour transporter même un seul photon à travers le même univers.

Réalité et fiction

Sans surprise, l'idée d'entrer dans un portail (trou noir) et de réapparaître ailleurs dans l'univers - dans l'espace et/ou le temps - a engendré d'innombrables histoires de science-fiction, dont Doctor Who, Porte des étoiles, La frange, Farscape et le trou noir de Disney.

Les productions en cours peuvent simplement prétendre que leurs personnages voyagent dans un univers différent ou parallèle au nôtre. Bien que cela semble mathématiquement faisable, il n'y a bien sûr aucune preuve physique pour soutenir l'existence de tels univers.

Mais cela ne veut pas dire que voyager dans le temps, au moins dans un sens limité, n'est pas réel. Lorsque vous voyagez à grande vitesse, ou peut-être tomber dans un trou noir, le passage du temps ralentit par rapport à celui vécu par les observateurs stationnaires.

Les horloges qui ont volé rapidement à travers le monde l'ont démontré, afficher des décalages dans le temps conformément à la théorie de la relativité restreinte d'Einstein.

Le film Interstellar de 2014 a joué sur cet effet autour d'un trou noir, créant ainsi un sentiment de voyager dans le temps pour l'astronaute Cooper (joué par Matthew McConaughey).

Malgré le nom étrangement attachant, l'expression "trou noir" est peut-être quelque peu trompeuse. Cela implique un trou dans l'espace-temps à travers lequel la matière tombera, par opposition à la matière tombant sur un objet incroyablement dense.

Ce qui existe réellement dans l'horizon des événements d'un trou noir est vivement débattu. Les tentatives pour comprendre cela incluent l'image "fuzzball" de la théorie des cordes, ou des descriptions de trous noirs dans les théories de la gravité quantique connues sous le nom de "réseaux de mousse à rotation" ou "gravité quantique à boucle".

Une chose semble certaine, c'est que les trous noirs continueront de nous intriguer et de nous fasciner encore un certain temps.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.