Werner Israel

La Science d'astronomie, d'astrophysique et d'espace

A rédigé la première théorie logique et précise sur la simplicité des trous noirs (1967)

"Si vous appréciez vraiment votre travail, vous n'avez jamais besoin des vacances."

La cosmologie est l’étude des étoiles et autres corps célestes, et les cosmologues sont des physiciens qui se demandent : comment l’univers a-t-il été crée? Quand s’arrêtera t’il d’exister ? Quelle est la taille de l’univers ? Israel est particulièrement célèbre pour certaines de ses théories sur les trous noirs.

Un trou noir n’est pas vraiment un trou. C’est une région de l’espace dont la masse est si concentrée que rien ne peut échapper à son attraction gravitationnelle. On pense que les trous noirs se forment quand de très vieilles étoiles s’effondrent sur elles-mêmes, et les scientifiques pensent que les trous noirs ont une telle gravité qu'ils agissent comme des aspirateurs géants. Ils aspirent toutes les matières qui s'approchent de trop près, qu'il s'agisse d'une comète, d’une planète ou d’un nuage de gaz ; cette matière est broyée à une densité infinie et disparaît pour toujours. La gravité est si intense qu’elle ralentit le temps et agrandit l'espace. Même la lumière ne peut s’échapper d’un trou noir et c’est pourquoi il est impossible de les voir. C'est pourquoi le physicien américain John Wheeler les a appelé des « trous noirs » en 1968, même si la première personne a penser que de telles choses pouvaient exister fut un astronome amateur anglais, John Mitchell, en 1783.
Malgré toutes ces définitions, Werner Israel pensait qu’un trou noir était quelque chose de très simple, mais jusqu’à ce qu’il publie sa théorie en 1967 on pensait que les seules choses simples existant dans la nature étaient les particules élémentaires, comme les électrons et les neutrons. Un électron seul a trois propriétés: mass, spin, et charge. Mais presque toutes les choses dans la nature sont beaucoup plus compliquées, et il est impossible de les décrire si facilement.
Les rochers ont des fissures compliquées, dentelées, les planètes ont des montagnes au relief compliqué. Les étoiles ont des champs magnétiques complexes. Israel a utilisé des techniques mathématiques pour démontrer que les trous noirs sont les objets de grande taille les plus simples qu’on puisse trouver dans l’univers. On peut les décrire en totalité comme un électron, grâce à leur masse, leur spin et leur charge. « La surface d’un trou noir est aussi lisse qu’une bulle de savon, » déclare Israel. « Mais il est absolument impossible de voir celui-ci, puisque la lumière n'est pas reflétée par un trou noir. »
Israel travaille en ce moment sur différents projets étudiant la structure géométrique interne des trous noirs. Il veut savoir ce qui se passe au sein d’un trou noir. Afin de répondre à cette question, il espère pouvoir un jour utiliser la théorie des supercordes — l’idée qu’au lieu d’utiliser de petites particules ressemblant à des points pour décrire la matière, comme nous l’avons fait jusqu’à présent, il serait possible de décomposer toutes les choses en petites « supercordes ». Israel dit : « La théorie d’Einstein est parfaite pour tout, jusqu’au moment où on entre très profondément au cœur d’un trou noir. » Il devient nécessaire d’avoir une autre approche, parce que la théorie de la relativité ne permet pas très bien de traiter de l'infinitude, et de nombreuses choses deviennent infinies à l'intérieur d'un trou noir. Israel essaye par exemple d’imaginer ce qui se passe quand un trou noir s’évapore.
Qu’arrive t’il à toutes les informations contenues à l’intérieur ? Sont-elles réparties totalement au hasard et perdues lorsque le trou noir se transforme en une incroyable quantité de chaleur irradiante ? Ou cette radiation n’est-elle alors désordonnée qu'en apparence et existe-il des corrélations subtiles en son sein, qui contiennent l’information « perdue » ? C’est ce que croient aujourd’hui la plupart des théoriciens des supercordes, mais Israel n’arrive pas à comprendre comment ces informations peut surgir des profondeurs du trou noir vers sa surface en évaporation sans violer la loi de la causalité, c'est à dire en voyageant plus vite que la lumière, du futur vers le passé.

 

Black hole cone. Click to enlarge.1. S’il vous était possible de regarder depuis l’extérieur au moment où un objet tombe dans un trou noir, il vous semblerait que cet objet n’y arrive jamais.  Le plus près l'objet s'approche de l'horizon des évènements du trou noir, plus il semble voyager lentement. L'horizon des évènements correspond un peu à la surface du trou noir, mais ce n'est pas une surface solide. Vous auriez l’impression que l’objet s’arrêterait, comme suspendu indéfiniment à l’horizon… Puis il commencerait à virer à l'orange, puis au rouge, puis disparaîtrait de votre champ visuel. Et bien que l'objet soit parti, vous n'auriez jamais pu voir ni l'endroit ni le temps de sa disparition. 

Si vous tombiez vous-même dans un trou noir, vous ne remarqueriez même pas l’horizon des évènements car à partir de ce moment, les choses ne vont que dans une seule direction : vers l’intérieur. Vous ne pourriez pas envoyer de messages de détresse, mais par compte vous pourriez toujours recevoir des messages de l’extérieur, et tout vous semblerait normal - sauf que la gravité croissante allongerait votre corps, vous étirant indéfiniment. Vous ne survivriez pas longtemps, ce qui est dommage, car au sein d’un trou noir les propriétés du temps et de l’espace sont altérées à un tel point que certains scientifiques pensent que le voyage temporel serait possible. Ou bien il vous serait possible de passer dans un univers parallèle à travers un trou de ver (wormhole)  — des trous dans le tissu de l’espace et du temps. Le seul problème : comment survivre à cette incroyable gravité ?

2. En tombant plus profondément au sein d'un trou noir, vous arriveriez à l’horizon intérieur. C’est le point à partir duquel il est impossible de voir dehors. En atteignant l‘horizon interne, tous les évènements de l’univers qui se sont déroulés depuis le début des temps sembleraient s’accélérer et vous apparaîtraient en une fraction de seconde.

3. Personne ne sait ce qui se passe dans les régions internes d’un trou noir, et les théoriciens comme Israel ne peuvent pas prédire ce qui arrive une fois passé l'horizon interne. Au bout du compte, le trou noir devient une singularité  — un point infiniment massif dans l’espace.

4. La nuée troublée au centre est une photo prise -- à partir du sol -- d'une galaxie en spirale géante appelée NGC 4261, comme on peut la voir à travers un télescope à la lumière ordinaire. (Comme il y a des milliards de galaxies, la plupart d'entre-elles ont des numéros plutôt que des noms. NGC est l’abréviation anglophone de New General Catalog - Nouveau Catalogue Général - des galaxies, qui a été initié par des astronomes vers 1860) NGC 4261 est l’une des galaxies les plus brillantes de l’amas de la Vierge, située à  45 millions d’années-lumière de la Terre. Elle contient des centaines de milliards d’étoiles. Une image radio surimposée montre une paire de jets géants qui s'échappe de la galaxie, recouvrant une distance de 88,000 années-lumière.

Voici un détail élargi de cette même galaxie, d’après une photo prise par le télescope de l’espace Hubble. La qualitéElliptical galaxy NGC 4261. Click to enlarge. améliorée de l'image montre que le centre de la nuée brouillardeuse présente un disque géant, avec un anneau de 300 années lumière de gaz froid et de poussière autour d'un coeur central brillant, où la gravité comprime et chauffe les matériaux. Les gaz chauds se précipitent depuis le voisinage du trou noir, créant les jets radios, et la présence de ces jets nous permettent de supputer la présence quasi-certaine d’un trou noir au centre de  NGC 4261. Le télescope de l’espace Hubble a maintenant fourni des preuves assez convaincantes de l’existence probable de trous noirs au centre de nombreuses galaxies, y compris la notre.


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MYSTèRE

La question la plus importante pour les cosmologues de notre époque est le problème de la constante cosmologique, ou de « l’énergie noire » comme on l’appelle aujourd’hui. En 1917, juste après qu’Albert Einstein ait fini sa théorie de la gravité, qu’il appela relativité générale, on croyait toujours que les étoiles lointaines et les galaxies étaient en repos (en moyenne). Einstein était gêné par l'idée qu'un univers statique serait alors contracté sous l'effet de la gravité, et devrait rapidement s'effondrer, ce qui n'était certainement pas le cas. Afin d'améliorer sa théorie il lui fallait un autre terme dans son équation,  — la constante cosmologique — afin d’obtenir une force répulsive qui contrebalancerait la gravité et maintiendrait l’univers en équilibre.

Puis, en 1929, l’astronome américain Edwin Hubble découvrit que l’univers n’était pas statique, mais en expansion. Il n'existait plus de possibilité d'effondrement rapide. La gravité pouvait peut-être ralentir cette expansion, mais il n’y avait plus aucun besoin de force répulsive. Einstein laissa alors tomber la constante cosmologique, l’appelant la plus grande gaffe de sa carrière.
« Ça n’était pas le cas » explique Israel, « Il en a fait une ou deux autres qui mériteraient mieux  cette qualification. »
Mais en 1998, les cosmologues ont eu une surprise encore plus grande. Les astronomes ont découvert que l’expansion ne ralentissait pas mais qu'au contraire elle accélérait. Il devait y avoir quelque chose, une espèce d’énergie noire produisant une force de répulsion plus forte que la gravité mais complètement invisible et indétectable pour les observateurs humains. De plus, celle-ci fonctionne uniquement sur les distances intergalactiques extrêmement longues, et non pas sur les distances astronomiques normales comme celles séparant la Terre et le Soleil. Il semble donc que la « plus grande gaffe d'Einstein » n’était pas une idée aussi bête que ca, après tout.
D’après Israel, il y a deux vrais mystères : tout d’abord, qu’est ce que c’est exactement que l’énergie noire ? Ensuite, pourquoi est-ce que sa densité (c'est à dire, la constance cosmologique) est à peu près la même que la densité actuelle de la matière ? Selon Einstein, cette valeur devrait être restée constante depuis le début de l’univers. Mais la densité de la matière a diminué par 120 ordres de magnitude pendant cette même période — c'est-à-dire 10 fois 10, 120 fois ! S’agit-il seulement d’une extraordinaire coïncidence, que les densités de l’énergie noire et de la matière actuelle soient identiques, ou est-ce plus qu'une coïncidence ? Les cosmologues appellent ceci le problème de la coïncidence cosmologique. « Je pense qu’il nous faudra un jeune Einstein pour résoudre ce problème,” déclare Israel, « et bien sûr, nous espérons tous que c’est notre étudiant de thèse actuel qui sera capable d’être cette nouvelle personne !”

Pour continuer l’exploration

  • Heather Couper & Nigel Hernbest, Black Holes, Dorling Kindersley Publishing, 1996.
  • Werner Israel, “Imploding Stars, Shifting Continents, and the Inconstancy of Matter,” Foundations of Physics, vol. 26, no. 5, May 1996.
  • Edwin F. Taylor and John Archibald Wheeler, Exploring Black Holes: Introduction to General Relativity, Addison Wesley, 2000.
  • Introduction to black holes sur le site-web de l'université de Cambridge .
  • Michigan Technological University website avec des films aux trous noirs imaginaires.
  • Le site Internet de l’université de technologie du Michigan sur les trous noirs, qui incluse des films de voyages imaginaires vers les trous noirs : antwrp.gsfc.nasa.gov/htmltest/rjn_bht.html
  • Wikipédia: l’encyclopédie libre - http://fr.wikipedia.org/wiki/Trou_noir
  • Un site sur le mystère des trous noirs: http://nrumiano.free.fr/Fetoiles/t_noirs.html
  • Lu Werner Israel's réponse aux questions...L'histoireCarrière