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."

L'histoire

Werner Israel s'étire et se détend dans la chaise du coiffeur, tout en rêvassant. Il réfléchit à sa prochaine retraite et son déménagement vers Victoria, en Colombie Britannique, pendant que la coiffeuse lui pose une cape protectrice sur les épaules qu’elle attache derrière son cou. C'est une jeune femme d'environ 20 ans, qui lui coupe les cheveux depuis deux ans environs. La boutique du coiffeur se trouve dans un petit centre commercial d'Edmonton, pas très loin de l’université d’Alberta où travaille Israel. Il est en train de regarder par la fenêtre, lorsque la jeune femme le tire de sa rêverie en lui demandant «  Et qu’est ce que vous enseignez, au juste ? » 

Israel enseigne la cosmologie, mais il ne répond pas tout de suite. Quelques semaines plus tôt, il a été interviewé pour un programme de télévision et le journaliste avait préparé par erreur  tout un jeu de questions sur le maquillage et la cosmétologie…Il ne veut pas que cette erreur se reproduise et décide donc d'expliquer à la coiffeuse la différence entre la cosmologie et la cosmétologie; la cosmologie n’a rien à voir avec le rouge à lèvres ou l’ombre à paupières. Il commence par expliquer quelques idées de base, sur l’univers et la possibilité que celui-ci soit né du rien, sur la théorie du big-bang -- l'idée qu'un faux état de vide pourrait être la source de l'énorme quantité d'énergie qui doit être venue de nulle part pour créer quelque chose en un instant -- et il explique aussi comme les cosmologistes peuvent prévoir avec exactitude les quantités relatives d’éléments qui ont été crées au moment de cette création. 

La coiffeuse lui coupe les cheveux tout en écoutant attentivement. 

Israel décrit alors ses propres recherches sur les trous noirs, qui sont des objets incroyablement massifs et dont la gravité est si forte qu'ils attirent et engloutissent presque toutes les choses, y compris la lumière. Il se laisse emporter comme toujours, lorsqu’il explique certaines de ses théories sur ce qui se passerait si on tombait dans un trou noir, et il ne remarque même pas que la coiffeuse a fini de lui couper les cheveux. "Je suis terriblement désolée de vous avoir ennuyée avec toutes mes explications sur la physique" s'excuse t'il auprès de la coiffeuse.

“Oh non, c’était absolument passionnant, tout ce que vous racontez sur la cosmosis,” s’exclame t’elle. 

Israel paye comme d’habitude les $12 pour la coupe et le pourboire, puis s’en va dans le soleil de printemps, en se demandant la signification précise de ce mot nouveau inventé par la jeune coiffeuse. Bah, au moins cette fois, il n’était pas cosmétologue.

Le jeune scientifique...

À l’âge d’environ neuf ans, les deux parents de Werner Israel tombèrent très malade et durent être hospitalisés. Werner et son frère se retrouvèrent à l’Orphelinat Juif du Cap, en Afrique du Sud, pendant quatre ans. Mais ces années ne furent pas malheureuses. Israel se rappelle comment, un jour, après que son père ait commencé à aller mieux, il arriva un jour avec des tomes d'encyclopédie qu'il avait obtenu d'un colporteur en échange d'un vieux costume. Son père avait eu l'intelligence de reconnaître les talents de son fils, et le jeune Israel passait de nombreuses heures à contempler ces livres. 

Israel développa une fascination pour les étoiles et la cosmologie lorsqu’il était enfant, mais il dut apprendre tout seul un peu de mathématiques afin de comprendre ce qu’il lisait. Il se rappelle les moments passés sur la plage du Cap, lorsqu’il avait 12 ans, à étudier Le Calcul sans Peine de Silvanus P. Thompson, et il n’a jamais oublié l'épigraphe sur la première page : "Ce qu'un idiot peut faire, un autre idiot peut aussi le faire.” 

À la fin des années 1950, Israel travaillait à l'institut de Dublin, en Irlande, en tant qu’étudiant boursier, et quand sa période de recherche à cet institut fut presque terminée, il commença à chercher un travail et découvrit qu’un poste de professeur assistant était disponible à Edmonton, au Canada. Il n’avait à l’époque aucune idée de l’endroit où se trouvait Edmonton, mais il savait que c’était là que travaillait le mathématicien Max Wyman. Les articles qu’avait rédigé Wyman sur la théorie de la relativité étaient bien connus d’Israel et c’est pourquoi en 1958 il décida de déménager pour Edmonton avec sa femme Inge ; ils y restèrent pendant environ 40 ans.

La science

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.

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

Carrière


Alors comme ça, vous voulez devenir cosmologue

 

“L'industrie et le commerce n'ont pas vraiment besoin de génies de la cosmologie,” déclare Israel, mais les talents de calcul et d’analyse de tels physiciens sont estimés à une grande valeur par le monde des affaires, où ils reçoivent des salaires conséquents. Il explique : « Dans les années 1980 et 90, quand les emplois au sein des universités étaient particulièrement difficiles à trouver, de nombreux diplômés de cosmologie sont devenus analystes financiers pour des banques, ou ont accepté des emplois dans l’industrie chimique.» Les banques en particulier n’étaient que trop contentes de payer des salaires de  US$150,000 ainsi que le logement et autres avantages en nature, afin d’attirer des physiciens doués. À l’autre bout de l’échelle, Israel gagnait environ  $5,000 au cours des années 90 (par cours et par trimestre), grâce à ses activités de maître de conférence à temps partiel. Pendant de nombreuses années, un dessin humoristique est resté accroché sur le mur de son bureau, montrant un homme et une femme en train de bavarder à une fête. L'homme déclare : "Ma plus grande erreur a été de me lancer dans la cosmologie pour l’argent.”
    D'après les statistiques réalisées en 2001 par le bureau des statistiques du ministère de l'emploi américain, les physiciens sont au 15ème rang des professions les mieux payées aux Etats-Unis, avec un salaire annuel moyen de $83,750 par an.
Les carrières typiques pour un physicien sont l’électronique, les communications, l’aérospatiale, la détection à distance, la biophysique, la physique nucléaire, la physique optique, la physique des plasmas, la physique de l’état solide, l’astrophysique, la cosmologie ou la physique expérimentale.
Afin de devenir un physicien ou un astrophysicien dont le niveau lui permette de faire de la recherche, il faut quatre ans d’études (diplôme de bachelier en sciences, Cum Laude) ainsi qu’un ou deux ans passé à obtenir une maîtrise en science (MSc) et deux ans de plus pour un doctorat (PhD), puis encore deux ans comme boursier post-doctoral avant de pouvoir obtenir une position permanente dans l’enseignement (en tout une dizaine d’années d’études). Les chanceux obtiendront peut-être un poste de recherche pure. Israel dit : « C’est une longue route difficile, et seuls ceux qui se sentent capables de tant d’efforts devraient l’emprunter. »
Afin de se préparer à une carrière de cosmologue, il conseille de lire des livres de vulgarisation scientifique. « On ne sait jamais trop en mathématiques, » explique-t’il. « Bien sûr, il ne suffit pas de lire avec passivité, il faut travailler sur le livre, se bagarrer avec lui ! »
Quand on lui demande quel effet cela fait d’être un cosmologue, Israel répond « Une fois que vous avez attrapé le virus, il est impossible de s’en débarrasser. » On est confronté à beaucoup de travail acharné et à de nombreux découragements quand les résultats de plusieurs semaines de travail disparaissent dans la corbeille à papier ; il y a aussi les querelles avec des collègues qui semblent ne rien comprendre à vos recherches, mais qui s'avèrent parfois avoir raison. Mais les moments de compréhension font plus que compenser toutes ses difficultés. Et, quand on a la chance de faire une découverte majeure : « Et bien je pense que cela fait l’effet d’un « shoot » avec une drogue quelconque mais sans la descente brutale qui suit toujours. »

Idées de carrière:

  • scientifique de recherches de •, physique
  • scientifique de recherches de •, l'électronique
  • scientifique de recherches de •, communications
  • scientifique de recherches de •, aérospatial
  • scientifique de recherches de •, télédétection
  • physicien nucléaire de •
  • physicien de systeme optique de •
  • physicien de plasma de •
  • physicien à semi-conducteurs de •
  • astrophysicien de •
  • cosmologue de •
  • physicien expérimental de •

La personne

Date de naissance
4 octobre 1931
Lieu de naissance
Berlin, Allemagne, mais a grandi au Cap, Afrique du Sud
Résidence
Victoria, BC mais il a habité la grande partie de sa vie active à Edmonton, Alberta
Membres de famille
  • Père : Arthur Israel
  • Mère : Marie Kappauf
  • Épouse : Inge Margulies
  • Enfants : Marque et Pia
  • Petits-enfants: Allison
Personnalité
à tendance à se dénigrer lui-même, enthousiaste, obsessionnel, distrait. Son sens de l’humour est désabusé.
Musique préférée
Les enregistrements qu’Arthur Schnabel a fait des sonates de Beethoven
D'autres intérêts
Possède une immense collection d'enregistrements musicaux, collectionne les livres anciens, aime nager, courir, faire de la randonnée.
Titre
Professeur émérite (physique)
Bureau
Département de la physique, l'université de Victoria, Victoria, Colombie-Britannique, Canada
Situation
Semi-retired
diplomes
  • Licence en sciences (physique et mathématiques), Université du Cap, 1951
  • Maîtrise en science (mathématiques), Université du Cap, 1954
  • Doctorat en mathématiques, Trinity College, 1960
Recompenses
  • Membre, Société royale du Canada, 1972
  • Médaille pour accomplissements en physique, Association canadienne des physiciens et physiciennes, 1981
  • Prix de la Recherche en Science et génie, Université de l’Alberta, 1983
  • Prix commémoratif Izaak Walton Killam, 1984
  • Membre de la Société royale de Londres, 1986
  • Officier dans l’Ordre du Canada, 1994
  • Médaille de Physique mathématique, Association canadienne des physiciens et physiciennes, 1995
Mentor
John Lighton Synge, un grand mathématicien irlandais de Trinity College à Dublin, en Irlande, qui lui a enseigné tout un style de raisonnement nouveau, ainsi que la façon de dessiner des schémas permettant de comprendre la théorie de la relativité.
Dernier mis à jour
25 juin 2011
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Les trous noirs sont des corps qui ont tellement la masse qu'ils s'effondrent sous leur propre pesanteur. Découvrir comment calculer leur énorme masse.

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