Pourquoi les trous noirs pourraient être les meilleurs laboratoires de la physique moderne

Un trou noir n'est pas un objet exotique de plus. C'est l'endroit de l'univers où nos deux meilleures théories — la relativité générale et la mécanique quantique — se contredisent frontalement. Autrement dit : le meilleur endroit pour les prendre en défaut.

Deux images en trois ans

En avril 2019, l'Event Horizon Telescope publie la première image d'un trou noir : M87*, environ 6,5 milliards de masses solaires. Les données datent d'avril 2017. Huit observatoires synchronisés forment un télescope virtuel de la taille de la Terre ; plus de 300 chercheurs et près de cinq ans de traitement séparent l'observation de l'image.

En mai 2022 vient Sagittarius A*, au centre de notre propre galaxie : environ 4 millions de masses solaires, à quelque 27 000 années-lumière. Plus proche, mais bien plus difficile à imager — pour une raison contre-intuitive.

Un objet qui change en trente minutes ne se laisse pas photographier avec une pose de plusieurs heures : c'est comme photographier un enfant qui court avec un temps d'exposition long. Il a fallu inventer de nouveaux algorithmes d'imagerie.

Deux formules qui disent l'essentiel

Le rayon de l'horizon d'un trou noir non tournant tient en une ligne :

La conséquence est plus parlante que la formule : comprimée jusqu'à devenir un trou noir, la Terre entière tiendrait dans une sphère d'environ 9 millimètres de rayon. Une bille.

La seconde formule est celle qui pose problème — la température de Hawking :

Elle mêle la constante de gravitation $G$, la constante de Planck $\hbar$ et la constante de Boltzmann $k_B$ : gravitation, quantique et thermodynamique dans une seule expression. Et elle dit qu'un trou noir s'évapore.

Le paradoxe de l'information

Si un trou noir rayonne et finit par disparaître, qu'advient-il de l'information tombée dedans ? La mécanique quantique affirme qu'elle ne peut pas être détruite. La relativité générale, telle qu'on la lit ici, affirme qu'elle l'est.

Les deux théories ne peuvent pas avoir raison en même temps. C'est précisément ce qui rend l'endroit intéressant.

Ce conflit, ouvert depuis les travaux de Hawking en 1974-1975, n'est toujours pas tranché. Il est la principale raison pour laquelle la gravité quantique reste le grand chantier inachevé de la physique.

Écouter plutôt que regarder

Le 14 septembre 2015, LIGO détecte pour la première fois des ondes gravitationnelles — la fusion de deux trous noirs. L'annonce publique est faite le 11 février 2016.

La forme du signal, un chirp de quelques dixièmes de seconde, contient les masses des deux objets, leur distance et le moment de la fusion. Une nouvelle façon d'observer l'univers : non plus par la lumière, mais par la déformation de l'espace lui-même.

Références principales : Astrophysical Journal Letters, vol. 875 (2019) pour M87*, vol. 930 (2022) pour Sagittarius A*.