Représenter les trous noirs : entre fiction et réalité
Vous avez surement déjà vu des trous noirs, dans Interstellar ou encore dans Star Trek. Mais en réalité, les trous noirs sont invisibles : comment savoir à quoi ils ressemblent ? Si nous ne pouvons pas les voir, pouvons-nous au moins les représenter ?
Un trou noir, c’est quoi ?
Les trous noirs sont mal nommés : un trou noir n’est ni un trou, ni noir. Il n’est pas vide, donc ce n’est pas – à proprement parler – un trou. Ensuite, dire qu’il est noir voudrait dire qu’il émet une couleur noire. Or ce n’est pas le cas : il est optiquement invisible.
Un trou noir, c’est un corps céleste d’une densité si importante qu’il retient toute matière et tout rayonnement qui s’y trouve. La gravité y est tellement forte que même un simple photon[1] ne peut s’en échapper[2].
Pour sortir du champ de gravitation terrestre, les fusées ont besoin d’atteindre une vitesse de 11,5 kilomètres par seconde : c’est ce qu’on appelle la vitesse de libération. Un trou noir est un objet qui possède un champ de gravitation tellement intense que pour en sortir, il faudrait avoir une vitesse de libération infinie (ce qui est impossible, puisque la vitesse de la lumière est indépassable et finie[3]).
Il est donc impossible de voir un trou noir, puisqu’aucune information ne peut s’en échapper. Ainsi, comment représenter un objet que l’on ne peut pas voir ? Dans ce billet, nous allons étudier deux représentations de trous noirs : celle de Gargantua, le trou noir du film Interstellar (C. Nolan, 2014) et la première image d’un trou noir obtenue par des scientifiques.
Gargantua, le trou noir d’Interstellar
Le trou noir offre des perspectives intéressantes pour la science-fiction, notamment celle des distorsions temporelles[4]. Christopher Nolan, dans Interstellar, a utilisé cette notion de physique (d’ailleurs détaillée dans le ce billet) pour faire voyager les protagonistes à proximité de Gargantua, un trou noir supermassif[5]. Autour de cet objet céleste gravitent trois planètes qui, du fait de leur proximité avec Gargantua, subissent une distorsion temporelle très importante.
Sur cette image, on distingue une des planètes à proximité du trou noir. Le cercle le plus fin et le plus proche du trou noir représente l’horizon, c’est-à-dire la frontière à partir de laquelle plus aucune information ne peut sortir du trou noir. Dans la diagonale, on distingue le disque d’accrétion par la tranche : c’est la matière présente à proximité du trou noir qui est arrachée par la gravité très importante du trou noir. Celui-ci n’est pas un aspirateur qui arrache tout sur son passage : la matière tourbillonne autour du trou noir avant d’y entrer. Enfin, la couronne autour du trou noir représente les rayons lumineux déviés par le champ gravitationnel du trou noir. En ce sens, la représentation de Gargantua est conforme à la « réalité » d’un trou noir : on n’observe pas un trou noir, mais les effets qu’il provoque autour de lui.
La promotion du film Interstellar a beaucoup mis en avant le réalisme de la représentation du trou noir. En effet, son réalisateur a fait appel à Kip Thorne, physicien spécialiste de la gravitation, pour accroître la crédibilité scientifique du film. Double Negative, la compagnie en charge des effets spéciaux du film, a développé en collaboration avec Kip Thorne un logiciel capable de calculer la manière dont la lumière se propage autour du trou noir. Malgré ceci, l’image du trou noir d’Interstellar omet un certain nombre d’effet optiques. Par exemple, le fait que le disque d’accrétion devrait être asymétrique et présenter diverses intensités lumineuses en raison de la rotation de la matière autour du trou noir. Je laisse à Jean-Pierre Luminet[6], astrophysicien, le mérite d’avoir expliqué tous les détails de la physique d’Interstellar ici. Les images d’Interstellar ne sont donc pas totalement réalistes, mais elles ne relèvent pas complètement de la science-fiction[7].
On a vu un trou noir ?
En 2019, la première « photographie » d’un trou noir est publiée. Pléthore d’articles sont alors publiés : « La première photo d’un trou noir publiée par un consortium scientifique international »[8], « Prouesse scientifique : première photo d’un trou noir dévoilée en direct »[9], …
Cette image, publiée en 2019 et produite par l’Event Horizon Telescope qui a demandé la collaboration de plusieurs observatoires sur plusieurs années, présente le trou noir au centre de la galaxie M87[10]. Les différents télescopes ont capté l’activité de matière sur le pourtour du trou noir en ondes radio et les scientifiques ont ensuite reconstitué l’image en lumière visible que l’on voit ici[11]. Les observations ont été réalisées en 2017 et l’image publiée en 2019. Cette image est donc une interprétation de données radio et non une photographie.
C’est d’autant plus frappant que cette image de trou noir est une reconstitution que les physiciens ont faite à partir des effets gravitationnels que le trou noir exerce sur la matière présente autour de lui. Pourtant, cette image produite par des instruments (qui captent des entités, ici des ondes radio ; et non pas des objets) est utilisée comme preuve de l’existence d’un trou noir. À ce moment-là, plus qu’une image d’un trou noir, n’a-t-on pas plutôt une image des effets du trou noir de M87 ? L’image obtenue dépend directement de la matière présente autour du trou noir. On peut imaginer qu’un autre trou noir présenterait, par les mêmes techniques d’obtention d’image, une image différente.
Conclusion : alors, science-fiction ou réalité ?
L’objectif dans ce billet est de voir comment des objets invisibles, les trous noirs, peuvent être représentés. Les scientifiques sont confrontés à une limite : l’impossibilité de connaitre ce qui se trouve à l’intérieur d’un trou noir, aucune information ne pouvant échapper à sa gravitation. Dans le cas des trous noirs, les images obtenues ne sont bien sûr pas de la science-fiction puisqu’elles s’appuient sur un grand nombre de données, pas plus qu’elles ne sont la réalité, les trous noirs étant par définition invisibles. Cette représentation est donc davantage une reconstitution basée sur des données réelles et une théorie. À partir de données, on reconstitue un quelque chose que la communauté scientifique puisse appeler objet, afin de l’étudier[12]. Ce problème se retrouve dès lors qu’on travaille sur des objets très éloignés et peu lumineux, comme les exoplanètes, ou dans l’infiniment petit avec les électrons ou les neutrinos.
[1] Les photons sont les particules qui composent la lumière.
[2] À titre d’exemple, pour être un trou noir, la terre devrait avoir la taille d’un sucre.
[3] L’invariance de la vitesse de la lumière est établie par Einstein en 1905, lorsqu’il construit sa théorie de la relativité restreinte.
[4] En effet, le champ de la gravité du trou noir est si intense que l’espace et le temps s’en trouvent déformés. L’espace et le temps ne sont pas séparés, ils sont réunis dans une notion qu’on appelle « espace-temps ». Ainsi, en plus de courber l’espace par sa densité très élevée, le trou noir courbe aussi le temps. On pourrait donc imaginer des possibilités de voyage dans le temps. Ces notions de distorsions temporelles et de voyage temporel sont détaillées dans le billet ici. Le temps s’écoule moins vite à proximité d’un champ de gravitation plus intense.
[5] C’est-à-dire un trou noir de quelques millions à plusieurs milliards de masses solaires.
[6] Jean Pierre Luminet, en 1979, fut le premier à fournir une description du comportement de la matière à proximité d’un trou noir, dans la revue spécialisée Astronomy and Astrophysics. Voir l’image juste ici : https://articles.adsabs.harvard.edu/full/1979A%26A….75..228L/0000235.000.html
[7] Il est à noter que Kip Thorne a reconnu les erreurs de modélisation du film, mais que certains détails auraient empêché le public de comprendre.
[8] Barthélémy Pierre, 2019, « La première photo d’un trou noir publiée par un consortium scientifique international », Le Monde. En ligne : https://www.lemonde.fr/sciences/article/2019/04/10/la-premiere-photo-d-un-trou-noir-publiee-par-un-consortium-scientifique-international_5448397_1650684.html, consulté le 14/04/2022.
[9] Cajeux Nicole, 2019, « Prouesse scientifique : première photo d’un trou noir dévoilée en direct », Le Nouvelliste. En ligne : https://www.lenouvelliste.ch/monde/prouesse-scientifique-premiere-photo-dun-trou-noir-devoilee-en-direct-833239, consulté le 14/04/2022.
[10] Messier 87 (ou M87) est une galaxie située dans la constellation de la Vierge à 50 millions d’années lumières de la Terre (1 année lumière = 9461 milliards de km).
[11] La lumière se décompose en un spectre, des rayons gamma (plus hautes fréquences) aux ondes radio (plus basses fréquences). La lumière visible possède une fréquence entre 400 et 800 THz).
[12] Dondero Maria Giulia, 2009, « La stratification temporelle dans l’image scientifique », Protée, 37, 3, p. 33-44.
Bibliographie
Barthélémy Pierre, 2019, « La première photo d’un trou noir publiée par un consortium scientifique international », Le Monde. En ligne : https://www.lemonde.fr/sciences/article/2019/04/10/la-premiere-photo-d-un-trou-noir-publiee-par-un-consortium-scientifique-international_5448397_1650684.html, consulté le 14/04/2022.
Cajeux Nicole, 2019, « Prouesse scientifique : première photo d’un trou noir dévoilée en direct », Le Nouvelliste. En ligne : https://www.lenouvelliste.ch/monde/prouesse-scientifique-premiere-photo-dun-trou-noir-devoilee-en-direct-833239, consulté le 14/04/2022.
Dondero Maria Giulia, 2009, « La stratification temporelle dans l’image scientifique », Protée, 37, 3, p. 33-44.
Israël-Jost Vincent, 2009, « Analyse des images scientifiques par le concept d’observation, Protée, 37, 3, p. 9-17.
Luminet Jean-Pierre, 2015 « La physique étrange d’Interstellar », LUMINESCIENCES : le blog de Jean-Pierre Luminet, astrophysicien. En ligne : https://blogs.futura-sciences.com/luminet/2015/11/17/la-physique-etrange-dinterstellar-16/, consulté le 14/04/2022.
« Comprendre la première image d’un trou noir », 2019, Cité de l’espace. En ligne : https://www.cite-espace.com/actualites-spatiales/trou-noir-2019/, consulté le 14/04/2022.
Crédit photographique
First picture of a Black Hole par Bengt Nyman, licence CC BY.
Interstellar (2014) par deepskyobject, licence CC BY-SA.
OpenEdition vous propose de citer ce billet de la manière suivante :
celinemurail (22 août 2022). Représenter les trous noirs : entre fiction et réalité. Contrepoints. Consulté le 14 octobre 2024 à l’adresse https://doi.org/10.58079/raf3
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