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De tous les objets de l'univers...
Les planètes...
Les étoiles...
Les galaxies...
Aucun n'est aussi étrange,
aussi mystérieux
ou puissant...
que les trous noirs.
Les trous noirs sont la chose la plus épatante de l'univers.
Ils sont à même d'avaler une étoile complètement intacte.
Ils possèdent de puissants jets qui projettent de la matière.
- D'abord découverte en théorie... - Sur le dos d'une enveloppe,
des gribouillis au crayon.
...l'étrange solution d'une équation apparemment insoluble...
Une énigme mathématique...
Einstein lui-même n'avait pas admis l'existence des trous noirs.
Pendant des années, on refusait de croire à leur existence.
La nature ne marche pas ainsi.
Pourtant, lentement, tandis que des scientifiques menaient des recherches...
En observant l'effet que les trous noirs avaient
sur leur entourage...
...les preuves ont commencé à s'accumuler.
Voici la preuve d'un trou noir.
Il fait plusieurs millions de fois la masse du Soleil.
Des découvertes de pointe montrent...
On l'a fait !
...que les trous noirs sont bien réels.
Je pensais que c'était fou.
Je me suis dit : "Bordel de..."
Mais que sont-ils exactement ?
Si on pouvait en visiter un, qu'y verrait-on ?
Avec leur pouvoir immense, les trous noirs ébauchent-ils en quelque sorte
la structure même de l'univers ?
Est-il possible que sans eux, nous ne puissions exister ?
C'est une sacrée aventure.
"L'apocalypse du trou noir".
Tout de suite, sur NOVA.
Il y a des objets apocalyptiques dans l'univers :
des moteurs de destruction,
menaçants et mystérieux.
Les trous noirs.
Même les scientifiques qui les étudient
les trouvent stupéfiants.
Les trous noirs sont impressionnants.
Je n'en reviens pas que ces objets existent vraiment.
Les trous noirs défient notre compréhension de la nature.
Les trous noirs sont le plus grand mystère de l'univers.
Ils sont complètement invisibles,
quoique leur puissance dépasse notre imagination.
Ils peuvent mettre une étoile en lambeaux.
Les trous noirs avalent tout ce qui se présente sur leur chemin.
Il convient de les éviter à tout prix.
Les trous noirs ralentissent même le temps.
Jadis considérés trop étranges pour être réels...
les trous noirs brisent notre compréhension de la physique.
Pourtant, on découvre qu'ils sont nécessaires
à notre univers tel que nous le connaissons.
Ils pourraient bien être les acteurs-clés de l'univers.
Que sont ces étranges, puissants,
monstrueux et surprenants objets ?
Où sont-ils et comment contrôlent-ils l'univers ?
La recherche sur les trous noirs est ouverte.
C'est parti pour une folle épopée à travers le cosmos,
dans des endroits où tout ce que l'on connaît est remis en question,
où l'espace, le temps et même la réalité sont plus étranges que la fiction.
Nous commençons notre voyage dans un endroit insolite :
ici, dans un coin perdu de l'État de Washington,
où, pour la première fois,
une expérience totalement nouvelle a détecté des trous noirs.
LIGO OBSERVATOIRE DE HANFORD
Tout a commencé il y a 50 ans,
quand quelques scientifiques visionnaires
ont imaginé une technologie qui n'avait pas encore été inventée.
Ils recherchaient quelque chose dont l'existence était encore incertaine.
L'expérience était osée et risquée.
L'échec aurait marqué leur vie à jamais.
Mais ils n'ont pas échoué.
Ici même, dans ces locaux,
ils ont fait une remarquable découverte.
14 SEPTEMBRE 2015
À une heure matinale, le 14 septembre 2015,
ils ont capté un message.
Voici ce message.
Un petit gazouillis.
Mais il est incroyable, monumental.
Ce signal a mis des milliards d'années-lumière pour nous parvenir.
Il est parti de très, très loin.
Ce qu'il nous dit,
c'est que quelque part dans l'univers, il y a plus d'un milliard d'années,
deux énormes trous noirs se sont fatalement tournés autour.
Ils se sont rapprochés,
tournoyant de plus en plus vite,
jusqu'à finir par entrer en collision.
Les trous noirs produisent des ondes qui se répandent vers l'extérieur.
Comme les vibrations d'un tambour,
un tintement dans le tissu même de l'espace.
La collision a produit une explosion massive,
libérant 50 fois plus d'énergie que l'intégralité de l'univers visible.
Elle n'a pas généré une onde de chaleur, une onde lumineuse ou sonore,
mais une onde de gravité.
L'onde gravitationnelle se déplace dans l'univers
à la vitesse de la lumière.
L'onde passe à côté d'étoiles.
Sur la jeune planète Terre, des supercontinents se forment.
Des organismes microscopiques apparaissent tout juste.
L'onde submerge galaxie après galaxie.
Les dinosaures peuplent la Terre.
L'onde se déplace toujours.
Elle se déplace à toute allure parmi des nuages de poussière.
Puis elle s'approche de la Voie lactée.
L'ère glaciaire débute à peine.
Nous sommes des troglodytes, nous dessinons dans des grottes.
L'onde atteint des étoiles proches.
Albert Einstein entre en sixième.
L'onde approche l'Alpha du Centaure.
Le 13 septembre 2015, à minuit,
elle atteint Saturne.
Enfin, plus d'un milliard d'années après la collision des trous noirs,
l'onde nous atteint.
Elle touche quelques observatoires révolutionnaires,
les lieux de l'expérience audacieuse.
Voici le LIGO,
l'observatoire d'ondes gravitationnelles par laser interféromètre.
L'expérience vieille de 50 ans finit par aboutir
et ébauche une nouvelle manière d'explorer l'univers.
Pendant 400 ans, presque tout ce qu'on a observé dans l'espace
nous est parvenu sous la forme d'énergie électromagnétique.
Ce petit gazouillis est différent.
Ce qui frappe la Terre en septembre 2015,
c'est une onde gravitationnelle,
un petit indice du tissu de l'espace.
Elle n'a produit aucune lumière,
aucun télescope n'a pu observer la collision.
Il a fallu une toute nouvelle sorte de laboratoire pour la détecter.
Cette onde nouvelle est la preuve directe
d'un des plus grands mystères de notre univers :
les trous noirs.
La plupart d'entre nous avons entendu parler des trous noirs.
Ils sont invisibles et puissants.
Il s'agit d'objets de plus d'un million de fois la masse du Soleil.
Ils sont bizarres.
C'est une entité physique
dune densité infinie.
Pas de début, pas de fin.
Ils attirent les choses.
Ils déforment la lumière.
Approchez-vous, et le temps lui-même se modifie.
La gravité y est tellement intense que le tic-tac d'une aiguille
se ralentit.
Le temps est tellement ralenti
que vous pouvez voir l'intégralité du futur de l'univers
se dérouler sous vos yeux.
Tombez dedans, et vous serez laminé aussi finement qu'une nouille.
Vous serez expulsé à travers le tissu de l'espace-temps,
tel le dentifrice qui sort de son tube.
Aujourd'hui, nous en savons plus que jamais sur les trous noirs.
Mais plus nous en apprenons, plus le mystère grandit.
Ce sont les objets les plus originaux de l'univers.
Notre physique n'est pas à même de les décrire.
Peu importe combien on les comprend,
ils sont en quelque sorte inatteignables.
SYSTÈME SURCHARGÉ
L'homme est sur le point de pénétrer dans le trou noir !
LE TROU NOIR
Les trous noirs ont une sale réputation.
Un trou noir, c'est le parfait méchant d'un film de science-fiction.
Mais qu'est-ce qu'un trou noir, en vrai ?
D'où viennent-ils ?
Vous pensez peut-être qu'un trou noir est ainsi,
un objet.
Mais c'est faux.
C'est un trou dans le tissu de l'espace.
Un endroit où rien n'existe à part la gravité,
la gravité dans son sens le plus intense et accablant.
Si les trous noirs sont faits de gravité,
de la gravité la plus extrême,
qu'est-ce donc que la gravité ?
CAFÉ GRAVITÉ
OUVERT
Nous connaissons bien la gravité.
Eh oui, c'est vendredi.
Elle régit nos vies.
Toutefois, pendant très longtemps,
le fonctionnement de la gravité
demeura un grand mystère.
Il y a plus de 300 ans,
Isaac Newton était fasciné par le comportement des objets en mouvement.
Il a énoncé ses lois du mouvement.
Elles fonctionnent si bien qu'on continue de les utiliser.
Décollage à 9h34.
Mais les lois de Newton ne font que décrire les effets de la gravité,
elles ne l'expliquent pas.
C'est là qu'arrive Albert Einstein.
Comme Newton, il réfléchit sur les objets en mouvement.
Et il se demande ce qu'est vraiment la gravité.
Est-ce une force ?
Ou serait-ce autre chose ?
Voici ce qui préoccupe Einstein.
Prenez cette pomme.
Je ne peux pas la déplacer sans la toucher.
Mais si je lâche la pomme,
elle se dirige vers la Terre.
Mais si j'enlève ma main,
le plancher, le sous-sol, le sol en dessous de tout ça ?
Que se passe-t-il ?
La pomme continue de tomber.
Einstein a réalisé que la gravité
avait un lien avec la chute.
Si je lance la pomme,
elle suit une trajectoire courbe.
Mais si je pouvais faire bouger la pomme bien plus vite,
si je réussissais à la faire bouger vraiment très vite,
disons à 30 000 km/h,
sa trajectoire courbe correspondrait à la courbe de la Terre.
La pomme serait en orbite, en chute libre,
tout comme la Station spatiale internationale
et les spationautes à l'intérieur.
Selon Einstein,
la pomme, la station spatiale et les spationautes
sont en chute libre selon une trajectoire courbe dans l'espace.
Et qu'est-ce qui rend la trajectoire courbe ?
La masse de la Terre.
Einstein a inventé un concept prodigieusement simple,
c'est que l'espace et le temps sont courbés par la Terre,
par le Soleil et par tous les objets dans le monde.
Selon Einstein,
la masse de chaque objet
produit une déformation de l'espace environnant.
Ainsi était la conception d'Einstein.
Il n'est plus question de forces,
seulement d'objets qui courbent l'espace-temps
et d'autres objets qui continuent leur trajectoire au travers.
Tous les objets en mouvement suivent les courbes de l'espace.
Comment la Terre fait-elle bouger la pomme sans la toucher ?
La Terre courbe l'espace,
et la pomme est en chute libre le long de ces courbes.
D'après la théorie générale de la relativité d'Einstein,
c'est la gravité : l'espace courbe.
Cette compréhension de la gravité,
le fait qu'un objet cause une déformation de l'espace autour de lui,
ça nous amène directement aux trous noirs.
Mais ce n'est pas Albert Einstein qui a le premier établi la connexion
entre la gravité et les trous noirs.
C'est un autre scientifique.
Karl Schwarzschild
était un astronome allemand
à la tête de l'observatoire de Potsdam, en Allemagne.
Depuis son adolescence, il calculait
des données compliquées à propos d'orbites planétaires.
Lorsqu'Einstein publie sa théorie de la gravité en 1915,
Karl Schwarzschild est dans l'armée allemande,
calculant les trajectoires de l'artillerie pendant la Première Guerre mondiale.
Quelques semaines après qu'Einstein a présenté sa théorie,
Schwarzschild, qui était sur le front russe,
s'en fait parvenir une copie
et dessine le champ gravitationnel autour d'une étoile.
Einstein y était parvenu grâce à une série d'approximations,
mais Schwarzschild,
depuis le front, avec des balles qui sifflent et des bombes qui tombent,
calcule l'exacte solution de la théorie d'Einstein
et la lui envoie.
Einstein n'en revenait pas.
Il n'imaginait même pas qu'on puisse résoudre ces équations de manière exacte.
Mais Schwarzschild ne s'arrête pas là.
Dans sa solution aux équations d'Einstein,
il découvre une chose à laquelle Einstein lui-même n'avait pas pensé.
Schwarzschild a dit : "Je peux calculer cette étrange distance
depuis un objet gravitationnel,
qui représente une sorte de frontière."
Mathématiquement, Schwarzschild concentre une masse,
une étoile, par exemple,
en un seul point.
Ensuite, il calcule comment cette masse courberait l'espace
et les rayons lumineux passant à proximité.
Alors que grâce à ses calculs,
il dirige ces particules de lumière ou de matière en direction de ce point,
il y a cette frontière autour de ce point,
à laquelle les particules s'arrêtent.
Les particules disparaissent.
Le temps s'arrête.
Schwarzschild a découvert
qu'une concentration de masse peut déformer l'espace
de telle manière que se crée une région de non-retour.
Tout ce qui pénètre cette région se retrouve enfermé,
incapable d'en réchapper. Même la lumière.
C'est comme les pièges à insectes.
On s'y fait coincer, mais on n'en sort pas.
Une fois la frontière franchie,
même si on peut la traverser,
il est impossible d'en ressortir,
impossible d'envoyer un signal.
Ça devient une étrange portion à la limite de l'espace-temps.
Ce que Karl Schwarzschild a découvert,
c'est que n'importe quelle masse compressée en un espace suffisamment petit
produit ce qu'on appelle de nos jours un trou noir.
Mais Albert Einstein,
dont la propre théorie de la gravité prédit une telle chose,
se refuse à croire que ça puisse arriver dans le monde réel.
Einstein ne pensait pas
que la nature pouvait agir ainsi.
Il n'aimait pas cette idée.
Karl Schwarzschild tombe malade
et décède avant d'avoir l'opportunité d'approfondir sa découverte.
L'ALLEMAGNE CAPITULE
Deux ans et demi plus tard, en novembre 1918,
se termine la Première Guerre mondiale.
L'étrange sphère théorique découverte par Karl Schwarzschild
semble vouée à l'oubli,
telle une étrange note de bas de page.
Mais au cours de la décennie suivante,
les physiciens approfondissent leur connaissance de l'atome
et découvrent comment la fusion atomique alimente les étoiles,
dans un procédé appelé fusion nucléaire.
Certains commencent à se demander si quelque chose de l'ordre du trou noir
pourrait venir d'une étoile.
Pas n'importe quelle étoile, il faudrait qu'elle soit gigantesque.
Les étoiles naissent en morceaux,
puis sont distribuées par tailles et par masses,
des milliers de petites étoiles,
quelques grosses étoiles, gigantesques,
vraiment énormes.
Les étoiles sont sous bien des aspects similaires aux êtres vivants.
Comme les êtres humains, elles ont un cycle de vie.
En menant des recherches à ce sujet dans les années 1930, deux visionnaires,
Subrahmanyan Chandrasekhar et Robert Oppenheimer
découvrent que les plus grosses étoiles
mouraient différemment des petites.
COMPTE RENDU DE PHYSIQUE DES NOYAUX DE NEUTRONS MASSIFS
UNIVERSITÉ HARVARD
Le cycle de vie d'une étoile dépend réellement de sa masse.
La masse d'une étoile détermine ce qui lui arrive
quand elle termine de brûler son hydrogène.
Toutes les étoiles commencent par brûler de l'hydrogène, l'atome le plus léger,
fusionnant les atomes d'hydrogène en hélium,
pour parvenir à des éléments plus lourds.
La gravité veut écraser la masse entière d'une étoile,
mais l'immense énergie relâchée par la fusion se dégage
et empêche l'étoile d'imploser.
Les étoiles sont stables, car s'en dégage une pression vers l'extérieur,
due à la fusion nucléaire,
et ceci compense la force interne de la gravité.
Les plus petites étoiles ne fusionnent rien de plus lourd que l'hélium.
Mais dans les étoiles plus massives,
la fusion écrase des atomes de plus en plus lourds
jusqu'à en faire du fer.
Le fer est un élément si massif, il contient tellement de protons,
qu'au moment de fusionner le fer,
aucune énergie ne se dégage.
Le fer constitue la fin d'une étoile.
Fusionner des atomes plus grands que le fer
ne libère pas assez d'énergie pour maintenir l'étoile.
Sans l'énergie de la fusion,
qui maintient l'étoile en forme,
il n'y a rien pour combattre la gravité.
Et la gravité l'emporte.
Et l'étoile entière implose.
Très vite, des trillions de tonnes de matière s'écrasent,
frappent le noyau et rebondissent,
produisant une explosion massive dans les couches externes de l'étoile :
une supernova.
Plus la masse est grande, plus la gravité l'est aussi.
Si le noyau restant est suffisamment massif,
la gravité est imparable.
Aucune force connue
ne peut empêcher l'implosion en un point infiniment petit.
La gravité écrase le noyau stellaire,
le rend de plus en plus petit,
jusqu'à ce que sa masse soit compressée en un point infiniment petit :
un trou noir.
La théorie se tient,
mais la plupart des physiciens doutent des trous noirs.
Einstein, Eddington, et au final,
tous les astrophysiciens prééminents entre les années 1930 et 1950,
se refusaient à croire à leur existence.
C'est resté une solution, une énigme mathématique,
pendant très longtemps.
Ça a pris du temps pour qu'on commence à les rechercher.
Ce n'est pas avant les années 1960
que l'idée qu'une supernova puisse créer un trou noir est réellement envisagée.
John Wheeler, un physicien de Princeton, qui était au départ sceptique,
est à l'origine du nom historique de ces objets invisibles :
trou noir.
Le terme "trou noir" vient d'Inde.
Le Trou Noir était le nom d'une infâme prison de Calcutta.
...INCARCÉRÉ AU TROU NOIR
Pourtant, personne n'avait jamais détecté aucun signe d'un trou noir.
En 1967, Jocelyn Bell, étudiante de troisième cycle,
découvre une étrange et minuscule étoile morte
qui émet une très faible lumière :
une étoile à neutrons.
L'étoile à neutrons, qui n'est autre que les restes glaciaux
d'une implosion stellaire, donne aux astronomes plus d'assurance
en l'idée que les trous noirs, de bien plus lourdes étoiles mortes,
puissent également exister.
Un demi-siècle après que Karl Schwarzschild
a mathématiquement démontré la validité de l'hypothèse d'un trou noir,
les scientifiques ont identifié un processus naturel
qui pourrait les engendrer : la mort de grandes étoiles.
Ces explosions de supernovas géantes, d'étoiles extrêmement massives,
engendrent des trous noirs.
Toute étoile née avec une masse
de l'ordre de dix fois ou plus celle du Soleil
terminera en trou noir.
Notre galaxie est pleine de petits trous noirs,
qui sont les cadavres stellaires de générations d'étoiles
qui se sont succédé.
À quoi ressemblent ces corps stellaires invisibles ?
Imaginez que j'explore l'espace
avec une technologie avancée pour un voyage interstellaire,
et qu'on puisse visiter un trou noir,
peut-être un qui se trouve dans notre voisinage galactique.
Ce trou noir en particulier n'est pas très grand,
seulement dix fois la masse solaire,
c'est-à-dire dix fois la masse du Soleil.
Comme tous les trous noirs, il possède un horizon des événements,
une limite avec les ténèbres.
C'est la frontière que Karl Schwarzschild a le premier découverte,
où la gravité est si forte que rien ne s'en échappe,
pas même la lumière.
C'est là qu'on se rend.
Plus on s'approche, plus des choses étranges se produisent.
Regardez la limite du trou noir,
voyez comme l'image d'étoiles lointaines se déforme en un cercle ?
C'est l'effet de la lentille gravitationnelle.
La gravité extrême du trou noir courbe la trajectoire de la lumière,
de sorte qu'un seul point lumineux, comme une étoile,
apparaît brièvement comme un anneau autour de l'horizon des événements.
Je suis maintenant profondément dans la gravité du trou noir,
et nous allons commencer à en subir les effets.
La gravité extrême ralentit le temps
comparé à ce qui se passe sur Terre.
De leur point de vue,
je donne l'impression de ralentir.
Mais de mon point de vue, le temps sur Terre semble s'accélérer.
Et si je m'approchais encore
pour faire une promenade spatiale ?
La manière dont le trou noir ralentit le temps
est de plus en plus forte.
Pour suivre les modifications que je vais subir,
j'allume cette lumière stroboscopique.
Elle clignotera toutes les secondes.
D'ici, je vois s'approcher l'ombre de l'horizon des événements,
et ma lumière clignote normalement.
Mais depuis le vaisseau,
plus je m'approche du trou noir,
plus je semble me déplacer lentement.
Les clignotements sont tellement espacés
qu'il semblerait que je sois pétrifiée dans le temps.
Pour moi, tout est absolument normal.
Même quand j'atteins l'horizon des événements.
En attendant assez longtemps,
peut-être des millions ou des milliards d'années,
on me verrait disparaître depuis le vaisseau.
Ce serait la dernière fois qu'on me verrait.
Qu'y a-t-il à l'intérieur d'un trou noir ?
Le mystère demeure.
Même si je le découvrais, je ne pourrais jamais revenir le raconter.
Ce qu'on sait, c'est que les trous noirs semblent obscurs de l'extérieur,
mais de l'intérieur, ils sont parfois lumineux.
Je peux voir la lumière de la galaxie qui est tombée derrière moi.
C'est la dernière chose que je verrai jamais.
Malheureusement, le divertissement s'arrête là.
J'ai passé l'horizon des événements,
je tombe vers le centre,
là où est concentrée toute la masse du trou noir.
Je commence à être étirée.
Tandis que je tombe, l'attraction gravitationnelle à mes pieds
est plus forte qu'à ma tête,
et mon corps commence à se disjoindre.
Je suis laminée comme une pâte, comme un spaghetti.
À la fin, je vais terminer
complètement désintégrée en mes particules élémentaires,
qui sont ensuite réduites en un point minuscule.
Une singularité
qui met à mal toute notre compréhension de l'espace et du temps.
Peut-être que le trou noir,
qui fait moins de 65 km de circonférence,
est en fait aussi grand que l'univers à l'intérieur.
Tandis que je tombe,
mes particules rejoindront la soupe primordiale d'un nouveau commencement.
C'est ce que la théorie pressent qu'il nous arriverait
si on pouvait voyager dans un trou noir.
Mais comment en être sûrs ?
Comment mener des recherches sur une chose invisible ?
STADE DES YANKEE
Il y a des moyens d'investiguer
si quelque chose se passe quelque part,
même si je ne peux en être un témoin direct.
Prenez le Yankee Stadium.
Que se passe-t-il à l'intérieur ?
Y a-t-il un match en cours ?
Je ne vois pas le terrain.
Je ne vois aucun joueur, aucune balle, aucune batte.
Mais je peux voir qu'il y a de l'activité autour du stade.
MÉTRO
C'est clair et net, il se passe quelque chose.
Ça semble évident, mais quoi que ce soit,
je peux en apprendre beaucoup rien qu'en observant les alentours du stade.
On dirait clairement des fans de base-ball.
C'est de cette manière qu'on fait des recherches sur les trous noirs :
en observant les effets qu'ils produisent sur leurs alentours.
Mais quelle sorte d'effets ?
Comment se révèle un trou noir ?
Juste avant la Seconde Guerre mondiale,
deux découvertes monumentales vont bouleverser l'astronomie.
DÉCOUVERTE D'UNE ONDE RADIO VENANT DU CŒUR DE LA VOIE LACTÉE
En 1931, Karl Jansky, ingénieur chez Bell Labs,
capte de mystérieuses ondes radio émanant de l'espace lointain.
Tout devient encore plus étrange
quand des scientifiques montent des compteurs Geiger sur des fusées allemandes
et découvrent que le cosmos est également plein de rayons X.
Ces découvertes donnent aux astronomes d'importants nouveaux outils
qui révolutionneront la chasse aux trous noirs
et élargiront nos perspectives.
Ce que nos yeux perçoivent
est une infime partie du spectre électromagnétique.
Si on disposait ce dernier le long du pont de Brooklyn,
nos yeux n'en verraient que quelques centimètres.
La radiation électromagnétique
comprend des ondes de fréquences très variées :
les ondes radio, les micro-ondes, les infrarouges, les ultraviolets,
les rayons X, les rayons gamma.
L'astronomie radio et l'astronomie X ont ouvert le ciel,
révélant des objets très peu lumineux voire invisibles,
dévoilant une énergie très puissante que personne ne soupçonnait.
On a commencé à réaliser que cette chose toute calme qu'on observe,
cette chose si tranquille qui a l'air immobile
alors que les planètes se déplacent,
on a découvert que c'était la folie.
C'était le chaos là-bas !
Les rayons X viennent du spectre où l'énergie est la plus élevée.
Qu'est-ce qui crée toute cette énergie ?
Une chose est sûre, quelle qu'en soit sa source,
elle demeure invisible aux télescopes ordinaires.
Et c'est chaud.
Les rayons X proviennent d'objets
dont la température atteint des millions de degrés.
INSTITUT D'ASTRONOMIE, CAMBRIDGE
Des dizaines de millions.
Une des premières sources de rayons X à capter l'attention des astronomes
s'appelle Cygnus X-1.
Cygnus était dans la constellation du Cygne.
C'était une source de rayons X, la première découverte.
En 1970, Paul Murdin, un jeune astronome anglais,
tente d'assurer son prochain emploi.
J'étais chercheur,
j'approchais la fin de ma troisième année de contrat,
et je souhaitais contribuer à découvrir la nature de ces choses.
Murdin travaille dans un château du XVe siècle
entouré de télescopes,
l'Observatoire royal.
Avec le plus grand télescope d'Angleterre,
il commence à chercher dans la zone de la constellation du Cygne.
Il décide de chasser des paires d'étoiles.
Les paires d'étoiles sont dites binaires.
Ça semble original, mais en fait pas tant que ça.
La plupart des étoiles que l'on voit, peut-être la moitié,
sont en fait binaires,
des paires d'étoiles en orbite enchaînées par la gravité.
Mais Murdin se demande s'il est possible que dans certaines binaires,
une seule des étoiles soit visible.
Je pensais qu'il pouvait exister une sorte de système stellaire
dans lequel une étoile, une simple étoile, produisait de la lumière,
et à côté se trouverait une étoile qui produirait des rayons X.
Le signe caractéristique d'une binaire est quand les étoiles se tournent autour.
Murdin commence donc à chercher une étoile visible
qui montre des signes de mouvement.
Parfois ça vient vers vous, parfois non.
Quand l'étoile s'approche, elle a l'air bleue,
à mesure que sa longueur d'onde lumineuse se rétrécit.
Si elle s'éloigne, elle a l'air rouge,
à mesure que sa longueur d'onde lumineuse s'agrandit.
On appelle ça l'effet Doppler.
Après avoir recherché un changement de couleur
sur des centaines d'étoiles dans la zone du Cygne,
Murdin repère un suspect potentiel,
une étoile visible dont la lumière a l'air de se déplacer.
C'était très clairement une étoile binaire, une étoile double.
L'étoile se déplaçait autour selon une période
de 5,6 jours.
Mais ce autour de quoi elle se déplace est invisible.
Aucune trace de seconde étoile dans le spectre.
Il y avait une étoile, mais pas de deuxième.
Murdin a une paire binaire où seule une étoile est visible.
Le second objet émet des rayons X,
il a une masse et une gravité suffisantes pour déplacer une étoile,
mais il ne produit aucune lumière.
Serait-ce le cadavre d'une étoile assez massive pour devenir un trou noir ?
Le problème pour déterminer si Cygnus X-1 était un trou noir,
c'était comment mesurer la masse d'un objet émetteur de rayons X.
Il faudrait qu'il soit très massif,
au moins trois fois la masse de notre Soleil.
Sinon, c'est probablement juste une étoile à neutrons,
une étoile dense qui a implosé, mais pas assez massive pour être un trou noir.
Les observateurs ont fini par conclure
que l'objet sombre et émetteur de rayons X dans Cygnus X-1
était substantiellement plus lourd
que trois fois la masse solaire.
Grâce à ses observations, Murdin est capable d'estimer
la masse de ce partenaire invisible.
La réponse,
c'est qu'il faisait six fois la masse du Soleil.
Il y avait donc une histoire, Cygnus X-1 était un trou noir.
La clé de l'argument,
c'était que la masse de l'étoile invisible
était plus de trois fois supérieure à celle du Soleil.
Quand j'ai fini de tout écrire, je me suis assis et j'ai pensé :
"C'est un trou noir."
Ce serait la première détection réelle d'un trou noir.
C'est une importante déclaration, et Murdin doit convaincre des sceptiques,
à commencer par son chef.
L'Astronome royal, sir Richard Woolley.
Il n'était pas très convaincu par les trous noirs.
"C'est fantaisiste..."
Beaucoup de gens en parlaient en Californie.
Il y a de drôles de gens en Californie.
Des hippies.
Des gens comme le théoricien Kip Thorne.
J'étais assez stressé.
J'étais stressé de l'échelle de cette découverte.
Et les gens autour de moi également.
Je travaillais avec Louise Webster, une collègue scientifique.
Nous étions modestes à propos de notre déclaration,
car nous savions ce que les gens allaient en penser.
Si vous lisez l'article qu'on a publié,
le mot "trou noir" n'est mentionné qu'une seule fois, à la toute fin.
C'EST PEUT-ÊTRE UN TROU NOIR.
"On pense que c'est peut-être un trou noir."
L'article de Paul Murdin et Louise Webster est publié en septembre 1971.
D'autres astronomes sont d'accord : c'est peut-être un trou noir.
FORTE POSSIBILITÉ QUE LA SECONDE SOIT UN TROU NOIR.
Mais personne n'en est sûr.
Trois ans plus tard,
Kip Thorne et Stephen Hawking, l'éminent physicien britannique,
font un désormais célèbre pari à propos de Cygnus X-1.
On a parié si Cygnus X-1 était ou non un trou noir.
Le pari est en partie une plaisanterie.
Les deux hommes espèrent que c'est un trou noir.
Mais Hawking ne veut pas porter malheur et parie contre son souhait.
CYGNUS X-1 NE CONTIENT PAS DE TROU NOIR
Stephen affirme que Cygnus X-1 n'est pas un trou noir.
Moi, je dis que si.
On a signé ce pari en décembre 1974.
Petit à petit, l'hypothèse que c'était vraiment un trou noir
se confirmait de plus en plus.
Ainsi, en juin 1990, Stephen est rentré dans mon bureau
et a laissé une empreinte digitale sur ce pari,
il s'est avoué vaincu en mon absence.
Je suis rentré de Russie et j'ai découvert qu'il avait reconnu sa défaite.
En 1990, la preuve de la masse de Cygnus X-1
était assez forte pour sceller un pari entre amis.
Mais l'estimation originale n'était pas assez précise pour être définitive.
Pour calculer la masse,
Paul Murdin s'était appuyé sur des approximations
quant à la distance de Cygnus X-1,
qui variaient d'un facteur dix.
La solution allait attendre encore 20 ans,
jusqu'à ce que l'astronome Mark Reid s'intéresse à ce mystère.
Reid est astronome
au Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics
quand il entreprend de démontrer
que Cygnus X-1 est un trou noir
en mesurant sa masse précise.
Mais comment mesurer la masse d'un objet invisible ?
En utilisant les lois de Johannes Kepler, un astronome allemand du XVIIe siècle,
il est possible de calculer la masse d'un objet céleste,
mais seulement si on connaît sa distance.
En astronomie, la distance est fondamentale.
Si on ne connaît pas la distance, on ne sait pas ce qu'est l'objet.
Ce pourrait être un objet très proche semblable à une luciole,
tout comme une immense étoile, très distante, plus grosse que le Soleil.
Pour déterminer la masse précise de Cygnus X-1
et confirmer sa nature de trou noir,
Reid devait savoir à quelle distance elle se trouvait.
Mais comment mesurer la distance d'une étoile ?
Le secret réside dans un phénomène bien connu, la parallaxe.
C'est ce qu'utilisent nos yeux et notre cerveau pour voir en 3D.
Tendez votre bras et levez un doigt,
regardez-le et fermez un œil.
Je ferme mon œil gauche.
Je regarde mon doigt
par rapport au mur en arrière-plan.
Maintenant, si j'ouvre mon œil gauche et que je ferme le droit,
mon doigt semble avoir bougé
par rapport à sa position originale.
C'est parce que nos yeux sont séparés
et que l'on voit depuis différentes perspectives.
Pour utiliser la parallaxe afin de mesurer la distance d'un objet dans le ciel,
les astronomes laissent le mouvement de la Terre
offrir deux perspectives.
Imaginez que Cygnus X-1 est juste ici.
Et la Terre et le Soleil sont là.
La Terre fait le tour du Soleil en un an.
Au printemps, la Terre est de ce côté-là du soleil,
et on peut observer Cygnus X-1 selon ce chemin de rayon.
Six mois plus tard, la Terre a continué sa trajectoire autour du soleil
et se retrouve de l'autre côté.
On a une différente perspective sur Cygnus X-1.
On a un triangle entre les deux positions de la Terre
et Cygnus X-1.
On connaît la base du triangle,
le diamètre de l'orbite de la Terre.
Les principes géométriques nous apprennent
que tout ce dont on a besoin pour calculer la distance,
c'est de la taille de l'angle au sommet.
On mesure donc ce tout petit angle,
au niveau de Cygnus X-1.
Et grâce à la géométrie la plus simple,
on peut calculer la distance de Cygnus X-1
et en déduire une masse très précise.
Le concept est simple.
Mais Cygnus X-1 est tellement loin
que l'angle à mesurer est minuscule,
une minuscule fraction d'un degré.
C'est plus petit que l'angle couvert par le nez d'Abraham Lincoln
sur un penny à San Francisco vu depuis New York.
Comme l'angle est trop minuscule,
il ne peut être mesuré par aucun télescope.
Mais l'équipe de Reid a une solution.
On prend dix radiotélescopes
répartis sur le territoire des États-Unis,
sur Hawaï et à Sainte-Croix, dans les îles Vierges.
On utilise simultanément ces télescopes,
et on synthétise dans un ordinateur
un télescope dont le diamètre est celui de la Terre.
Ça nous donne une résolution angulaire incroyable.
En utilisant cette technique, l'équipe de Reid détermine
que Cygnus X-1 est à 6 000 années-lumière.
Avec la nouvelle distance obtenue, celle de 6 000 années-lumière,
on peut déterminer que la masse est 15 fois supérieure à celle du Soleil,
c'est clairement un trou noir.
Quarante ans après la première hypothèse,
Cygnus X-1 est largement reconnu
comme le premier trou noir confirmé.
C'est un simple article,
mais le fait d'avoir nos noms dessus avec Louise Webster
nous a beaucoup aidés dans notre carrière.
J'ai reçu mon premier poste fixe grâce à cette découverte.
Une source de grandes réjouissances pour la famille.
Tout s'est bien passé pour moi,
en plus de la satisfaction intellectuelle
d'avoir résolu un problème.
Après des années de spéculation,
nous avons enfin un trou noir.
Encore mieux, c'est un trou noir qui émet des rayons X
et qui a une étoile binaire.
Si on le visitait depuis mon vaisseau spatial imaginaire,
qu'y verrait-on ?
La distance de Cygnus X-1
a été établie à 6 000 années-lumière de la Terre.
Sa masse représente 15 fois celle du Soleil,
et Cygnus X-1 est entourée par un disque d'accrétion,
un nuage de gaz et de poussière en dehors de son horizon des événements,
le point de non-retour.
Lorsque la gravité attire la matière vers le trou noir,
le nuage commence à tourner,
comme de l'eau qui s'évacue dans un évier.
Dans le disque d'accrétion,
les particules les plus proches du trou noir tourbillonnent
à la moitié de la vitesse de la lumière.
C'est comme un accélérateur de particules géant dans l'espace.
Mais pourquoi émet-il des rayons X ?
Ces particules se déplacent à toute vitesse et entrent en collision,
ce qui les réchauffe de plusieurs millions de degrés.
Quand elles atteignent cette température, les particules émettent des rayons X.
Ce sont ces rayons X qui ont amené l'astronome Paul Murdin
à faire des recherches sur ce trou noir il y a près de cinq décennies.
Cygnus possède une autre caractéristique :
elle a une étoile partenaire.
Cette supergéante bleue
qui a une orbite autour du trou noir d'une période de 5,6 jours.
Son orbite est si proche de Cygnus X-1
que le trou noir arrache de la matière de l'étoile
et l'attire dans le disque d'accrétion.
Une partie de la matière traverse l'horizon des événements
et se fait avaler, mais pas toute la matière.
Une partie en ressort
avant même d'entrer dans le trou noir.
C'est comme un enfant qui mange : la moitié des pâtes termine par terre...
UNIVERSITÉ DE L'ARIZONA
...l'autre moitié est au plafond, et un petit peu seulement dans la bouche.
Une des caractéristiques les plus frappantes et mystérieuses de Cygnus X-1,
ce sont ses gigantesques jets.
Ces faisceaux de particules et de radiation émanent
des pôles sud et nord de Cygnus,
perpendiculairement au disque d'accrétion.
On ignore encore beaucoup sur ces jets,
mais ils sont très concentrés et extrêmement puissants,
ils atteignent presque la vitesse de la lumière
et se propagent bien au-delà de Cygnus.
Quand le gaz atteint des températures élevées et produit de la lumière,
il y a également un petit champ magnétique
qui se forme autour.
On ne comprend pas bien comment,
mais ces champs magnétiques
aident à collimater ces écoulements massifs des trous noirs,
ces puissants tuyaux d'arrosage qui crachent de la matière.
Voici Cygnus X-1 vue de près,
un trou noir en expansion avec de puissants jets
qui émettent des particules dans l'univers.
Un peu comme la respiration
d'un démon cracheur de feu.
La lumière est vacillante, il y a des explosions,
c'est une boule de feu très violente et active.
Autrefois une curiosité mathématique,
Cygnus X-1 est devenue bien réelle.
Après des décennies de scepticisme,
les scientifiques acceptent désormais que les corps brûlés
de larges étoiles peuvent capturer de la lumière en leur sein,
déformer l'espace et le temps autour d'eux,
attirer de la matière et l'accélérer à des vitesses vertigineuses.
Les trous noirs étaient une idée tellement radicale
qu'on ne l'acceptait pas.
Mais petit à petit, les preuves de leur existence
sont devenues de plus en plus fortes.
UNIVERSITÉ HARVARD
On a vu ces choses fascinantes.
On a trouvé au moins 20 trous noirs dans notre galaxie,
des binaires à rayons X, comme Cygnus X-1.
Il y a probablement des millions d'autres corps stellaires massifs
rien que dans notre galaxie.
Mais une découverte ahurissante reste à faire.
Tout ce que les astronomes pensaient savoir des trous noirs,
et une grande partie de ce qu'ils croyaient sur l'univers,
est chamboulé par une découverte choquante.
Les révélations commencent quand les données radio-télescopiques
détectent de mystérieux points chauds émettant de l'énergie radio.
Ils provenaient d'objets qui ressemblaient à des étoiles.
Comme ces objets ressemblent à des étoiles
mais ont été découverts grâce à des signaux radio,
les astronomes les appellent "radio-sources quasi-stellaires",
des quasars.
Mais sont-ils vraiment des étoiles ?
La première étape dans la recherche,
c'est de déterminer de quoi ils sont faits.
Pour ce faire, les astronomes analysent l'énergie électromagnétique émise.
Chaque élément a une empreinte spectrale unique.
Par exemple, le carbone.
L'hélium.
L'hydrogène.
Ces lignes dévoilent la constitution chimique d'une étoile.
Mais le spectre d'un quasar est incompréhensible.
C'était un vrai charabia.
Il n'y avait signe d'aucune émission
d'éléments connus.
Qu'est-ce qui leur échappe ?
Il doit y avoir un indice quelque part.
Finalement, en 1963, l'astronome de Caltech, Maarten Schmidt,
découvre cet indice caché bien en évidence.
Dans le spectre du quasar, on retrouve l'empreinte de l'hydrogène.
Il a repéré quelque chose de familier, mais au mauvais endroit.
Les empreintes d'hydrogène s'étaient décalées vers le rouge.
C'était difficile à repérer, car les lignes spectrales d'hydrogène
étaient décalées vers l'extrémité à basse fréquence
du spectre.
Il n'y avait qu'une seule explication possible.
Le quasar s'éloigne de nous à une vitesse vertigineuse.
Mais les astronomes n'avaient jamais vu de lumière se déplacer
de telle façon.
Comme un son bien connu dont la fréquence devient trop basse,
la lumière des quasars change à un tel degré
que l'hydrogène est méconnaissable.
Un tel changement
signifie que les quasars s'éloignent de nous à des vitesses incroyables.
La raison ?
L'héritage d'un événement
qui a eu lieu il y a presque 14 milliards d'années : le Big Bang.
Le commencement de notre univers.
Depuis lors, l'univers s'étend,
emportant avec lui les objets qu'il contient, dont les quasars.
Jamais on n'avait vu quoi que ce soit se déplacer à une telle vitesse.
Cet objet était la chose la plus éloignée
jamais observée,
ce qui signifie que l'objet en lui-même est extrêmement lumineux,
ce qu'il faut expliquer.
À deux milliards d'années-lumière, il dégage une énergie
équivalente à un trillion de Soleils par seconde.
Qu'est-ce qui peut bien créer ça ?
Personne ne savait ce qui pouvait générer ces phénomènes.
D'où provient toute cette énergie ?
Avec quelques calculs, on se rend compte
que ce n'est pas de l'énergie chimique.
Ce n'est pas non plus de l'énergie nucléaire.
Impossible qu'un quasar soit une étoile.
Aucune quantité de fusion nucléaire ne peut produire tant d'énergie stellaire.
La seule chose qui puisse dégager autant d'énergie est la gravité.
La gravité.
Dans la vie de tous les jours, on peut facilement battre la gravité.
Mais concentrée à l'extrême par un trou noir,
la gravité est trop puissante.
Une poignée de scientifiques ont commencé à se demander
si les quasars pouvaient être animés par des moteurs gravitationnels.
Et si l'énergie qui se dégage des quasars
venait de disques d'accrétion lumineux autour de trous noirs ?
Pour produire une telle énergie,
une telle luminosité,
il doit y avoir un trou noir.
Mais pas n'importe quel trou noir.
La source d'émission d'un quasar
est nécessairement massive.
Massive à quel point ?
Des millions ou des milliards de fois plus lourde que le Soleil.
Cygnus X-1 ne fait que 15 fois la masse du Soleil.
15 MASSES SOLAIRES
Les trous noirs qui animent les quasars
sont une toute autre catégorie de trous noirs :
des supermassifs.
Ils semblent se situer au cœur des galaxies.
Qu'en est-il de notre propre galaxie ?
Existerait-il des trous noirs supermassifs plus proches de chez nous ?
Le cœur où l'on pourrait découvrir un supermassif
se trouve dans la direction de la constellation du Sagittaire,
l'Archer.
Le Sagittaire n'est pas n'importe quelle constellation.
Elle est en direction du cœur de notre galaxie, la Voie lactée.
Mais comme nous vivons dans la Voie lactée,
nous ne pouvons observer la galaxie comme un voyageur de l'espace.
Mais je peux utiliser ma machine à étoile imaginaire
pour voir la galaxie de l'extérieur.
Notre maison est une galaxie en spirale, des centaines de milliards d'étoiles
rassemblées en un gigantesque disque.
Elle est large, de l'ordre de 100 000 années-lumière.
Mais elle est plutôt mince,
seulement 1 000 années-lumière d'épaisseur.
Et toute la spirale tourne lentement.
Notre système solaire se situe ici.
Et là, à 26 000 années-lumière de la Terre, se trouve le cœur,
qui, on le voit, est en direction du Sagittaire.
Dans ce cœur dense, il y a des millions d'étoiles,
ainsi qu'énormément de poussière et de gaz.
Voici notre galaxie vue de l'extérieur,
grâce à ma technologie imaginaire.
Mais comme nous vivons au sein de la Voie lactée,
quand on regarde vers le cœur,
on regarde à travers beaucoup de notre propre galaxie,
qui nous apparaît
comme une bande d'étoiles et de poussière dans le ciel : une voie lactée.
Bien enfoui dans cette bande d'étoiles et de poussière,
un trou noir supermassif pourrait-il se terrer ?
Les données qu'on récolte...
Dans les années 1990, des astronomes se sont décidés à résoudre le mystère,
à regarder dans la trouble Voie lactée,
pour voir ce qui se trouve en son cœur, si tant est qu'il y ait quelque chose.
Une de ces scientifiques est Andrea Ghez.
Un sur 20.
Ghez relève un défi intimidant.
Elle va traquer des étoiles individuelles
en orbite autour du cœur de la galaxie.
L'idée de cette expérience vient du visionnage
d'étoiles en orbite autour du cœur de la galaxie.
On veut trouver des étoiles
aussi proches que possible du cœur de la galaxie.
Ça veut dire que je veux avoir accès
au plus grand télescope possible.
Ça veut dire venir ici,
au sommet du Mauna Kea, un volcan endormi,
à presque 4 000 mètres au-dessus des plages d'Hawaï.
L'altitude et le faible taux d'humidité rendent l'endroit idéal pour l'astronomie.
L'instrument que Ghez utilise à l'Observatoire Keck de Mauna Kea
est l'un des plus grands au monde.
Malgré sa taille, Keck a le même problème
que tous les télescopes sur Terre :
la distorsion atmosphérique.
Quand on regarde un galet
au fond d'une rivière,
le courant est fort,
la vue du galet est déformée.
Comme une rivière,
l'atmosphère de la Terre change constamment,
courbant la lumière comme un miroir déformant.
Pour compenser ça, Keck a inauguré l'utilisation scientifique
d'une technologie militaire rendue publique,
l'optique adaptative.
Tout d'abord, on projette un laser dans le ciel,
ce qui crée une étoile guide artificielle.
L'atmosphère agitée déforme l'étoile guide,
mais l'ordinateur sait à quoi elle devrait ressembler
et ajuste le miroir du télescope en conséquence.
Si on se regarde dans un miroir de foire,
on est complètement déformé.
L'idée du système d'optique adaptative,
c'est d'introduire un second miroir dont la forme est l'exact opposé
pour nous redonner notre image normale.
Très profond dans le télescope,
le miroir déformant change de forme jusqu'à 2 000 fois par seconde
afin d'inverser la distorsion atmosphérique.
LE CŒUR GALACTIQUE DE 2,2 MICRONS OPTIQUE ADAPTATIVE OFF
Ça nous a permis de prendre les images les plus précises
jamais obtenues du cœur de la galaxie.
OPTIQUE ADAPTATIVE ON
La précision de ces images permet à Ghez
de distinguer des étoiles individuelles près du cœur,
une avancée de taille en astronomie.
Elle commence à enregistrer leur position en 1995.
Depuis, chaque année,
on prend une image, juste une photo.
En assemblant ces clichés annuels,
ça rend un film en accéléré des orbites stellaires.
Ces films font des révélations stupéfiantes.
Les étoiles tourbillonnent autour du cœur de la Voie lactée
à des vitesses phénoménales.
Elles bougent à plusieurs milliers,
jusqu'à 10 000 kilomètres par seconde,
ou 16 millions de kilomètres par heure.
Elles y vont à fond.
Pour aller si vite, les étoiles doivent être en orbite
autour de quelque chose d'extrêmement massif.
On suppose que la masse
est quatre millions de fois supérieure à celle du Soleil.
Qu'est-ce qui peut faire une telle masse
tout en étant complètement invisible ?
C'est la preuve d'un trou noir.
Pas n'importe quel trou noir,
un trou noir supermassif, silencieux et endormi,
en plein cœur de notre propre galaxie.
En fait, c'est la meilleure preuve en date
de l'existence de trous noirs supermassifs,
pas seulement au cœur de notre galaxie,
mais aussi dans tout l'univers.
Un trou noir supermassif
de quatre millions de fois la masse du Soleil,
en plein cœur de notre galaxie, la Voie lactée.
D'un point de vue cosmique, c'est juste à côté.
Et ça soulève une question importante.
Il existe des milliards de galaxies.
Si la nôtre possède en son cœur un trou noir supermassif,
et si on trouve des quasars au cœur d'autres galaxies,
qu'en est-il des autres ?
Y a-t-il des trous noirs au cœur des galaxies ?
S'il y en a, est-ce fréquent ?
On n'en savait rien.
Les astronomes peuvent-ils rêver de découvrir ce qui se cache
au cœur d'autres galaxies,
à des millions d'années-lumière, comme Ghez l'a fait pour la Voie lactée ?
Cinq, quatre...
Il faudrait une autre innovation en astronomie pour le rendre possible.
Décollage de la navette spatiale Discovery
avec le télescope spatial Hubble, notre fenêtre sur l'univers.
Quand le télescope spatial Hubble a commencé à fournir des images claires
de galaxies distantes,
une équipe d'astronomes s'est mise au travail.
Ils sont connus sous le nom des "Nukers",
car ils se concentrent sur les noyaux galactiques,
les cœurs de galaxies.
Tod Lauer est l'un d'entre eux.
Étape un, prendre une photo de la galaxie
avec le télescope spatial Hubble.
Elle nous montre où se situent les étoiles de la galaxie.
Elle nous montre sa structure dans une résolution magnifique.
La clé pour trouver des trous noirs supermassifs,
c'est d'apprendre à quelle vitesse se déplacent les étoiles de la galaxie.
Les galaxies extérieures sont trop lointaines
pour mesurer la vitesse d'étoiles individuelles.
Mais en analysant la manière dont la lumière passe du bleu au rouge
en différents endroits de la galaxie,
les astronomes peuvent calculer une vitesse moyenne d'étoiles
en orbite autour du cœur.
C'est assez précis pour créer une réplique dans l'ordinateur.
La seconde étape, là où le vrai travail commence,
consiste à tenter de modéliser les observations.
On fait ça en construisant des modèles de galaxies
dans l'ordinateur.
C'est la méthode Schwarzschild,
développée par un astronome de Princeton, Martin Schwarzschild,
le fils de Karl Schwarzschild,
dont les calculs ont déterminé pour la première fois
la possibilité de trous noirs.
L'idée de Martin Schwarzschild était
de construire un modèle de galaxie
avec non seulement la masse,
mais aussi comment les étoiles se déplaçaient.
Pour chaque galaxie dans laquelle ils mènent des recherches,
les Nukers construisent méticuleusement un modèle sur ordinateur,
puis à tâtons,
ils ajustent les paramètres de masse et de vitesse,
en essayant de faire correspondre le modèle aux observations
qu'ils collectent grâce à Hubble.
"On va essayer avec une étoile ici,
une autre là.
On va la faire bouger comme ça.
Et celle-là comme ça."
Et on fait ça des milliers et des milliers de fois,
jusqu'à avoir une bibliothèque
sur comment les étoiles tournent en orbite dans cette galaxie.
L'aboutissement, ce serait que les observations du modèle
correspondent aux observations du télescope spatial Hubble.
Mais ça ne marche pas.
Il manque quelque chose aux modèles.
On réessaie encore et encore,
sans encore de trou noir, et on s'est dit
qu'on n'arrivait pas à expliquer les observations
avec nos modèles.
C'est seulement en ajoutant une énorme masse invisible
au cœur de la galaxie
que le modèle correspond aux observations de Hubble.
Il faut presque toujours mettre
un trou noir au cœur.
On ne peut pas faire correspondre les observations
sans un trou noir dans le modèle.
Des quelques 40 galaxies inspectées par les Nukers,
l'intégralité d'entre elles nécessite virtuellement un trou noir supermassif.
Depuis lors, les autres observations
nous ont confortés dans l'idée
que les supermassifs et les galaxies fonctionnent de pair.
Dans chaque galaxie où on a cherché,
on a trouvé un trou noir supermassif en son cœur.
C'est une révélation sensationnelle.
Les supermassifs,
autrefois une catégorie inattendue de trous noirs,
sont peut-être courants,
pas seulement au cœur de notre galaxie,
mais à celui de toutes les galaxies.
Par exemple, la galaxie M31,
aussi appelée la galaxie d'Andromède.
Elle se trouve à deux millions et demi d'années-lumière.
Lorsque la nuit est claire, on peut la voir depuis la Terre.
Mais même avec le télescope spatial Hubble,
on ne peut décerner les détails de son cœur.
Mais on est plutôt certains
qu'il y a quelque chose d'extrêmement massif là-dedans.
Et si on pouvait regarder de plus près ?
Si on pouvait visiter une galaxie lointaine, très lointaine ?
Alors qu'on pénètre la partie externe d'Andromède,
on est encore trop loin pour voir ce qui se cache en son cœur.
Mais on aperçoit un dense amas d'étoiles en son centre,
ce qui pourrait être un signe
de la proximité d'un trou noir géant.
Il y a des milliards d'années-lumière, il était probablement entouré
de gaz et d'étoiles, ainsi que d'autres petits trous noirs.
Le trou noir a peut-être engendré un quasar,
le nourrissant à l'envi, et dégageant des radiations aveuglantes.
En des centaines de millions d'années,
il aurait consumé
tout le gaz disponible et les étoiles avoisinantes.
De nos jours, il est relativement calme.
Mais il a des caractéristiques spécifiques
jamais observées auparavant.
Tout d'abord, il est colossal.
S'il débarquait dans notre système solaire,
Mercure, Vénus, la Terre et Mars
seraient toutes piégées dans l'horizon des événements.
C'est dingue, mais rien comparé à la masse pure :
100 millions de fois celle du Soleil.
La destruction ne s'arrêterait pas là.
Jupiter ne tiendrait pas longtemps.
Le champ gravitationnel du supermassif
s'y agripperait et l'avalerait tout entière.
Saturne finirait par connaître le même destin.
Les planètes externes pourraient survivre, mais dans de froides et sombres orbites.
Ce trou noir tourne rapidement,
déformant et entraînant le tissu de l'espace-temps.
Comme tous les trous noirs,
l'horizon des événements est totalement monotone.
Rappelez-vous, il n'y a rien ici.
C'est juste une frontière qui cache l'intérieur.
Le disque d'accrétion peut nous en apprendre beaucoup sur ce qui se passe.
Voici l'impétueux anneau de gaz et de poussière autour du trou noir.
Imaginez qu'on libère un essaim de robots autonomes
pour explorer le disque d'accrétion.
Le disque tourne à une vitesse incroyable,
presque la moitié de la vitesse de la lumière.
Si Jupiter se déplaçait aussi vite,
elle terminerait son orbite en quelques heures.
La zone autour du trou noir est une tornade cosmique.
Notre essaim est également pris dans le tourbillon.
Ce sont des investigateurs lâchés dans une tempête
pour caractériser le mouvement.
Le robot du milieu peut nous envoyer des images.
Il suit le leader comme une voiture de course
dans un circuit automobile.
D'ici, la déformation extrême autour du trou noir
nous joue de sacrés tours.
On dirait qu'il y a un disque d'accrétion
tourbillonnant autour de l'équateur,
et un autre décrivant un arc autour des pôles.
Mais c'est une illusion.
L'extrême gravité du trou noir courbe la trajectoire de la lumière
émise derrière le trou noir
et donne l'impression que le disque d'accrétion
est à la fois au-dessus et en dessous.
En fait, il n'y a rien autour des pôles.
Ce sont juste les rayons lumineux qui passent.
C'est de nouveau l'effet de lentille gravitationnelle.
Encore plus proche de l'horizon des événements,
l'effet de lentille gravitationnelle devient si intense
qu'un de mes robots pourrait apparaître droit devant
et en même temps se voir de dos,
la lumière à jamais enfermée dans un cercle éternel.
C'était notre voyage dans le trou noir supermassif
au cœur de la galaxie d'Andromède.
Plutôt pas mal.
Autre chose époustouflante : rien dans les calculs
ne laissait imaginer que les trous noirs pourraient être aussi gros.
Aussi étranges qu'ils soient,
les trous noirs de masse stellaire ordinaire
étaient au moins prévisibles en théorie.
Les supermassifs sont une surprise totale.
Les trous noirs de masse stellaire,
on les envisageait comme hypothèses.
Et on les a découverts par des observations.
Pour les trous noirs supermassifs, l'histoire est inversée.
On a trouvé des preuves de leur existence par l'observation, tout d'abord.
Et maintenant, on travaille sur la théorie
pour comprendre leur existence.
On savait déjà que les étoiles pouvaient imploser
pour créer des trous noirs ordinaires.
Mais les supermassifs sont bien plus grands.
Cygnus X-1 fait 15 fois la taille de notre Soleil.
Le supermassif au cœur de notre Voie lactée
fait quatre millions de fois la taille de notre Soleil.
Celui de la galaxie d'Andromède
est 100 millions de fois plus grand que notre Soleil.
Et c'est loin d'être le plus gros.
Il y a des supermassifs de dix, voire 20 milliards de fois
la masse de notre Soleil.
Comment est-ce possible de créer de tels trous noirs géants ?
Les supermassifs proviennent-ils d'étoiles implosées ?
C'est peu probable.
On ne connaît aucune étoile des milliards de fois plus grosses que le Soleil.
On sait que des trous noirs peuvent venir d'une étoile mourante.
Ils font plusieurs fois la masse du Soleil
qu'ils contiennent.
Mais des millions de fois la masse du Soleil...
Si c'est le cas, une étoile mourante ne peut l'avoir causé.
Donc ces supermassifs,
qui sont des millions voire des milliards de fois plus lourds que le Soleil,
grandissent-ils seulement en se nourrissant comme un géant ?
La chose dingue à propos des trous noirs, c'est qu'ils se nourrissent.
Ils dévorent tout ce qui s'approche
de leur sphère d'influence,
pour grandir.
Mais comment grandissent-ils ?
Que mangent-ils et où trouvent-ils leur nourriture ?
Nous pensons que les trous noirs grandissent
en accumulant du gaz.
Ça fonctionne, car il y a beaucoup de gaz
au cœur de la galaxie,
et ce gaz s'amasse en formant un disque d'accrétion.
Le disque d'accrétion est constitué d'hydrogène, d'hélium
et d'autres éléments sous forme gazeuse.
L'immense gravité du trou noir
attire le gaz dans sa direction.
Alors qu'il tourbillonne autour,
son orbite se rapproche de plus en plus du trou noir,
et il s'alimente ainsi.
Ce qui se trouve dans les régions internes est lentement attiré au-dedans,
s'accélère et atteint l'horizon des événements,
et voilà.
Quel que soit le gaz qui traverse l'horizon des événements, il disparaît.
Le trou noir absorbe cette matière.
Elle s'ajoute à la masse du trou noir.
C'est une manière pour le trou noir de s'agrandir :
il grignote du gaz et de la poussière.
Mais ce n'est pas la seule manière.
Cygnus X-1 a progressivement arraché de la matière
d'une étoile proche,
un processus qui va probablement continuer
des milliers ou des millions d'années.
Et si un trou noir pouvait dépecer une étoile entière
en quelques années, voire semaines ?
Ce serait un événement violent.
Une équipe d'explorateurs de l'espace mène l'enquête.
Voici le centre de contrôle des opérations d'un télescope spatial...
Je te reçois cinq sur cinq.
La piste début à 0330.
...l'Observatoire de rayons X Chandra.
En orbite à 140 000 km au-dessus de la Terre,
Chandra prend des images en haute résolution
d'objets qui émettent des rayons X.
En voici un : un éphémère et très violent événement
qu'on appelle transitoire,
et qui fascine James Guillochon.
Les supernovas, la destruction de planètes par leur étoile hôte.
Ça me fascine de détruire des trucs pour la science.
James enquête sur un mystère découvert par un collègue,
Dacheng Lin.
Ce flou sur l'écran de James,
c'est une explosion massive d'énergie à rayons X
capturée par hasard.
Cette petite tache est apparue en arrière-plan de cette image.
Vu la grande distance,
c'est très lumineux.
Serait-ce un trou noir en devenir
après une violente implosion d'une grosse étoile, une supernova ?
Peut-être.
Mais l'intense radiation dégagée par une supernova
ne durerait que quelques mois.
Depuis combien de temps ce mystérieux objet émet-il des rayons X ?
Pour le découvrir, ils ont regardé des images de la même partie du ciel
prises à des dates antérieures.
2015.
2011.
2008.
Juillet 2005.
Avril 2005.
Aucun rayon X détecté.
Mais les rayons X apparaissent trois mois plus tard, en juillet.
Et le signal brillant et puissant a continué
pendant plus de dix ans,
de juillet 2005 à nos jours,
c'est bien trop long pour être une supernova.
Qu'est-ce que ça peut bien être ?
Un trou noir qui ne se nourrit pas est tranquille et entièrement noir.
On ne peut le voir sur aucun télescope.
Mais un trou noir qui se nourrit est différent.
Quand il se nourrit, il émet des rayons X.
Donc ça pourrait être un trou noir
qui s'est mis à dévorer quelque chose de gros ?
Quel effet cela aura-t-il sur tout ce qui s'approche ?
Que ferait-il à une étoile qui s'approcherait de trop près ?
Il dépiauterait une étoile couche par couche,
finissant par dévorer
l'étoile entière.
Contrairement à Cygnus X-1, il ne s'agit pas de simple grignotage.
Il s'agit d'une attaque de dix ans,
un trou noir massif dévorant une étoile entière
dans un clin d'œil cosmique.
C'est le résultat d'une collision hasardeuse
dans laquelle une étoile malchanceuse s'est aventurée trop près,
et la gravité extrême du trou noir la dépèce.
La gravité du trou noir
devient de plus en plus forte
à mesure que l'étoile s'approche.
À ce moment-là, l'étoile commencera à se déformer.
C'est la rupture par effet de marée.
C'est similaire à la gravité de notre Lune,
qui contrôle les océans de notre monde.
Les marées causées par un trou noir
seraient des milliards de fois plus fortes
et bien plus violentes.
Il existe des événements
où une étoile peut être dépecée par un trou noir.
On pourrait voir une volute de lumière
de la dernière expiration de la matière dans l'étoile.
Mais une partie de l'étoile a une chance de s'échapper,
comme James nous le démontre.
Alors que l'étoile s'allonge par les forces de marée du trou noir,
elle va nourrir le trou noir
en même temps que sa moitié cherchera à s'échapper.
Au-delà de ce point, presque tout
aura l'opportunité de quitter la galaxie.
Ça bouge tellement vite.
Au-delà de ce point,
tout va tomber dans le trou noir
et finira par être consumé par lui.
C'est une autre manière pour un trou noir de s'agrandir.
Contrairement au lent et régulier grignotage de Cygnus X-1,
ce trou noir dévore une grande partie d'une étoile
en une seule bouchée.
Qu'un trou noir se nourrisse soudainement
en avalant la moitié d'une étoile
ou lentement, par accrétion,
les astronomes rencontrent toujours un problème en cherchant à comprendre
comment les supermassifs deviennent si grands,
le problème du temps.
Le problème commence avec les supermassifs les plus âgés :
les quasars, ces lumineux, très lointains
et anciens objets
découverts au début des années 1960.
Le mystère a commencé quand on a découvert ces quasars,
très lumineux, très anciens dans l'univers.
À 13,05 MILLIARDS D'ANNÉES-LUMIÈRE
Ils dégagent tellement d'énergie
qu'ils doivent avoir d'énormes trous noirs supermassifs en leur cœur.
Mais les quasars sont très lointains,
ce qui signifie qu'ils appartiennent à l'univers le plus ancien,
né il y a environ 14 milliards d'années.
Des quasars lumineux,
600 millions d'années après le Big Bang.
Une fraction de seconde à l'échelle d'aujourd'hui.
Et ils sont énormes.
Ces trous noirs d'un milliard de fois la masse du Soleil, ces géants,
ont dû voir le jour quand l'univers
avait environ 550 millions d'années.
Mais on a un problème.
Comment développer quelque chose d'aussi gros aussi rapidement ?
On se heurte à des limites physiques.
Qu'un trou noir grignote
ou dévore son repas,
l'accrétion par laquelle un trou noir se nourrit
a une vitesse limitée.
Tirant son nom d'un astronome anglais, Arthur Eddington,
la limite d'Eddington empêche un trou noir
de se nourrir trop rapidement
à cause de la lumière qui se dégage
de son propre disque d'accrétion.
La lumière a une pression.
Les photons peuvent transmettre une force.
On le voit dans les vents d'étoiles : la lumière repousse le gaz.
Il y a une limite dans la vitesse à laquelle se nourrit un trou noir,
avant que sa propre luminosité n'empêche sa croissance.
Étant donné cette limite de vitesse, comment les vieux supermassifs,
les quasars, ont-ils grossi si rapidement ?
Y aurait-il un moyen de contourner la limite de vitesse ?
Le problème, c'est toujours le temps.
Comment grandir
jusqu'à atteindre un milliard de fois la masse du Soleil ?
Quelles conditions sont nécessaires à une telle croissance ?
Des scientifiques se demandent aujourd'hui
s'il existe un moyen de créer un trou noir
qui soit déjà bien plus massif de naissance,
qui naisse avec un avantage.
Existe-t-il un mécanisme physique
qui permettrait de créer un trou noir
déjà bien plus massif depuis le tout début,
de sorte que l'étau du temps ne soit pas un problème
et que la question de la croissance ne soit pas si préoccupante ?
Certains pensent que la solution
serait de créer un trou noir directement d'un nuage de gaz :
ce scénario est appelé implosion directe.
Il commence avec des nuages de gaz constitués d'hydrogène, d'hélium
et d'autres éléments.
Les mêmes matériaux qui donnent naissance aux étoiles.
Les nuages plus denses imploseraient sous leur propre gravité.
Tandis qu'ils implosent, les parties les plus denses
sont les premières à le faire.
C'est alors que le nuage se fragmente.
Ces fragments continuent à imploser
jusqu'à ce que les atomes d'hydrogène en leur sein fusionnent.
La fusion nucléaire commence, et ainsi naissent les étoiles.
Mais si un nuage de gaz géant s'effondrait sans créer d'étoile ?
On a découvert que dans certaines conditions physiques,
il peut se former un très large disque de gaz
avant qu'une étoile ne se forme.
Ce disque de gaz commence à devenir instable.
Ça permettrait à la masse de se concentrer vers le cœur
très rapidement, et ça créerait un trou noir très massif.
C'est quelque chose qu'on observe dans la nature,
depuis les tornades jusqu'à nos baignoires :
un vortex.
C'est ça, mais à une échelle supermassive.
Si vous enlevez la bonde de votre baignoire,
vous voyez l'eau s'écouler en un vortex
très rapidement vers le centre.
C'est exactement la même chose.
L'implosion directe est peut-être une façon
de créer de très larges trous noirs très tôt dans l'univers,
à partir d'énormes nuages de gaz
qui sautent l'étape de l'étoile.
En étant si gros dès la naissance,
ces trous noirs directement nés de l'implosion
auraient un petit avantage pour grossir si rapidement
et devenir ces énormes jeunes supermassifs
observés dans l'univers lointain.
Ces trous noirs directement implosés sont une hypothèse.
Ce sont des trous noirs dont la masse originale,
la masse initiale,
fait de 10 à 100 000 fois
la masse du Soleil,
et ils se forment dès le départ avec cette masse.
L'implosion directe permet d'expliquer comment d'énormes jeunes supermassifs
ont vu le jour.
Mais il reste une question fondamentale à propos des supermassifs.
Quel est leur rôle dans l'univers ?
Leur existence n'est-elle due qu'au hasard ?
Ou sont-ils liés de manière plus générale
à la structure même du cosmos ?
Les trous noirs supermassifs ne sont pas isolés.
Ils semblent vivre en partenariat avec les galaxies.
Des millions, des milliards,
voire des trilliards d'étoiles rassemblées par la gravité,
les galaxies sont les composantes de base de notre univers.
Les trous noirs supermassifs en leur cœur
sont-ils nécessaires à leur existence ?
On pense que toutes les galaxies,
même celles qu'on n'a pas encore observées,
possèdent un trou noir supermassif en leur cœur.
Il est possible que, loin d'être de simples curiosités,
ils soient un composant essentiel des galaxies,
un composant essentiel de l'univers.
En très peu de temps, nous avons réalisé
qu'ils occupent probablement le cœur de toutes les galaxies.
Ce n'est possible
que si une relation de symbiose existe
entre l'évolution d'une galaxie
et le trou noir supermassif en son cœur.
Que peut bien être cette relation ?
Un indice fascinant concerne la taille.
Plus la galaxie est grande,
plus le trou noir semble massif.
Donc ces trous noirs au cœur des galaxies
semblent conscients de la taille de leur environnement.
Qui naît le premier ?
La galaxie ou le trou noir supermassif ?
Ce n'est pas si simple.
Il semblerait qu'ils grandissent en tandem.
Il est difficile à l'un de se former et d'affecter l'autre.
On pense que ce qui forme l'un
doit former l'autre en conséquence de ce même processus.
Il doit y avoir un mécanisme de rétro-alimentation
entre le trou noir et la galaxie,
un mécanisme qui synchronise l'évolution des deux.
Les galaxies grandissent en formant de nouvelles étoiles
à partir de nuages d'hydrogène.
Le gaz est le carburant pour former une étoile,
tout comme l'essence pour nos voitures.
Si on est à court de gaz, on est à court d'étoiles.
Les trous noirs supermassifs
interfèrent-ils avec la formation d'étoiles ?
Quand un trou noir grandit,
il se libère une énorme quantité d'énergie
qui est envoyée dans la galaxie.
Nous pensons qu'une partie de l'énergie réchauffe du gaz,
et que ce gaz devenu trop chaud ne peut plus former d'étoiles.
La chaleur produite par la croissance d'un trou noir
empêche la formation d'étoiles à proximité.
Un moyen par lequel un trou noir croissant
peut influencer sa galaxie hôte, c'est en empêchant la formation d'étoiles.
En effet, la croissance d'un supermassif
détermine si la galaxie hôte grandit ou stagne.
Il y a une sorte de phase de repas,
puis une phase latente.
Ils semblent impliqués
dans la formation de la galaxie de cette manière,
mais ils la stabilisent en même temps.
Ces mystérieux supermassifs
contrôlent peut-être la construction de l'univers,
pas tant par leur taille
que par la manière dont l'énergie qu'ils libèrent façonne les galaxies.
En termes de masse, si on additionne tous les trous noirs de l'univers,
des minuscules aux supermassifs,
jusqu'aux ultra-massifs,
les trous noirs ne représentent rien.
Cependant, en termes énergétiques, la puissance d'une galaxie donnée
et l'origine de sa création
semblent dictées par le trou noir central.
Ils semblent être des éléments-clés de l'univers.
D'ici deux ans, la NASA prévoit de lancer
le télescope spatial James Webb.
C'est le télescope le plus puissant jamais créé.
Le James Webb est conçu pour regarder dans les infrarouges,
permettant de voir plus loin dans le passé qu'Hubble,
de regarder les premières étoiles et les galaxies
qui se sont formées après le Big Bang.
On espère fortement que le télescope spatial James Webb
nous aidera à résoudre beaucoup des mystères qui demeurent
à propos des plus anciens trous noirs supermassifs.
Le télescope spatial James Webb est spécifiquement réglé
pour observer le plus ancien univers, la naissance des galaxies.
Cela nous permettrait une meilleure compréhension
de comment on obtient un trou noir supermassif
dans une galaxie, pour commencer.
La technologie avance très rapidement,
et par conséquent, nous avons de nouvelles perspectives
sur l'univers.
Je pense qu'on vit un âge d'or de l'astronomie.
Le télescope spatial James Webb
n'est pas la seule nouvelle avancée promise à résoudre
certains mystères à propos des trous noirs.
UNIVERSITÉ DE HARVARD FACULTÉ DES ARTS ET DES SCIENCES
CENTRE DE MATHÉMATIQUE PROJET TROU NOIR
PROJET TROU NOIR - UNIVERSITÉ DE HARVARD FACULTÉ DES ARTS ET DES SCIENCES
Je crois qu'il y a des composants infrarouges...
Un groupe de scientifiques dirigé par Shep Doeleman
tente l'impossible :
ils veulent prendre un trou noir en photo.
C'est intéressant, on peut parler
du flux d'accrétion autour du trou noir.
Si une partie de ce comportement linéaire survit,
nous aurons peut-être une façon de l'interpréter.
Le projet porte le nom de Télescope de l'horizon des événements.
L'objectif principal de ce Télescope de l'horizon des événements
est de voir l'invisible.
Il s'agit de mettre au point
quelque chose d'inobservable
d'après la science :
le trou noir.
La première cible est Sagittaire A*,
le supermassif au cœur de notre Voie lactée.
Ils utilisent un réseau global de radiotélescopes.
Il faut que huit télescopes bénéficient d'une bonne météo
partout autour du monde,
et c'est un problème de taille.
Mais si les trous noirs sont invisibles,
qu'espèrent-ils photographier ?
Ce que nous essayons de photographier, c'est l'ombre.
Si le gaz autour du trou noir
tourbillonne vers l'intérieur et finit par atteindre l'horizon des événements,
il laisse une silhouette,
une ombre aux contours bien définis dans la lumière environnante.
Un peu comme un donut,
avec un trou très bien délimité.
C'est la photo qu'on voudrait faire.
Si je convertis ça en fréquences,
j'ai deux pi carré ici.
L'équipe a mené ses premières observations
et en analyse les données.
Tu dis que la vitesse...
On espère que ces nouvelles technologies
nous donneront une perspective sans précédent sur les trous noirs.
Mais une nouvelle technologie nous fournit déjà des résultats.
Nous voici de retour au LIGO,
un acteur-clé dans l'intrigue des trous noirs.
On va parler d'une idée très novatrice pour son époque :
les ondes gravitationnelles.
Avec la relativité générale, sa théorie de la gravité,
Einstein prédisait que quand un objet se déplaçait,
il pouvait créer des ondulations dans l'espace et dans le temps,
une compression ou un étirement de l'espace lui-même.
Une des quêtes les plus importantes de la physique du XXe siècle
était de détecter ces ondes gravitationnelles.
Ce n'était pas facile à faire
avec la relativité générale,
parce que tous les effets imaginables
étaient infiniment petits.
Très difficiles à mesurer.
L'idée, c'était
que si on pouvait mesurer les ondes gravitationnelles,
ça confirmerait la prédiction d'Einstein.
On pourrait obtenir un autre avantage
et également prouver l'existence des trous noirs
ainsi que résoudre le mystère de la croissance des supermassifs.
Mais comment détecter des ondes gravitationnelles ?
En 1970, le problème a retenu l'attention
d'un jeune physicien expérimental, Rai Weiss.
Rai avait le profil parfait pour chasser les ondes gravitationnelles.
Pendant des décennies, il avait travaillé sur des ondes mieux connues :
les ondes sonores.
Nous étions des immigrants,
des juifs allemands.
Beaucoup de nos amis étaient à fond dans la musique.
Rai s'est consacré
à extraire les nuances les plus subtiles qu'il pouvait
dans des enregistrements musicaux.
Ces enregistrements avaient un grave problème.
Quand la musique était forte, ça sonnait à merveille.
Mais quand la musique était calme et lente,
on entendait un truc
dans le genre.
Un petit sifflement.
C'était agaçant.
Ce qu'il a appris en essayant d'éliminer ce bruit
lui a servi par la suite,
quand Rai a reporté son attention
sur la détection des ondes gravitationnelles.
Il faut comprendre
comment une onde gravitationnelle accomplit son sale boulot.
En tant que problème physique,
les ondes gravitationnelles sont similaires aux ondes sonores.
Supposons que l'onde vient de quelque chose
qui bouge et oscille.
Une onde sonore compresse et étire l'air.
Une onde gravitationnelle compresse et étire l'espace
et tout ce qu'il contient.
Si une onde traversait la Terre,
elle engendrerait
une expansion momentanée puis une contraction de l'espace.
Ça ne s'arrête jamais, c'est un truc
qui se déplace comme ça.
Comment mesurer
la minuscule expansion et contraction de l'espace ?
L'idée de Rai était d'utiliser la lumière.
Envoyer un faisceau lumineux
d'un endroit à l'autre,
mesurer le temps qu'il prend pour y arriver.
C'est comme ça qu'on a calculé l'exacte distance de la Lune :
on a fait rebondir un rayon laser depuis la Terre
jusqu'à un miroir abandonné par les astronautes d'Apollo 11.
T = 2,57 SECONDES
La durée du voyage aller-retour
a permis aux scientifiques de déterminer la distance.
D = 384 469 KM
Rai a conçu un ingénieux design
pour un instrument qui utilise des lasers et des miroirs
afin de détecter les petites expansions et contractions de l'espace
causées par une onde gravitationnelle.
On appelle ça un laser interféromètre.
On envoie un laser dans un séparateur.
La moitié de la lumière continue tout droit
vers un miroir,
l'autre moitié est envoyée vers un autre miroir.
Les faisceaux lumineux rebondissent sur les miroirs,
où ils rejoignent un détecteur photo.
Si la distance parcourue par les deux faisceaux est égale,
le système est conçu pour que les deux faisceaux s'annulent,
le détecteur ne voit rien.
C'est le piège pour mesurer une onde gravitationnelle.
C'est là qu'arrive l'onde gravitationnelle
sur cette structure.
Si une onde gravitationnelle passe au travers,
elle changera brièvement la longueur des bras.
Les faisceaux lumineux ne rebondiront pas en même temps
pour s'annuler.
Une onde gravitationnelle frappe.
La lumière apparaît sur le détecteur.
Le piège a fonctionné.
C'est l'idée de base.
C'est une mesure très simple.
Une idée intelligente et très simple en principe.
Mais le génie et le prix Nobel
résident dans les détails.
La différence de longueur entre les deux bras
est si minuscule qu'inconcevable.
Minuscule comment ? Prenez la taille d'un atome.
C'est encore plus petit.
On réduit d'un facteur de 100 000.
Voici le noyau d'un atome.
Encore plus petit que ça.
Cent fois plus petit que ça.
On parle vraiment de quelque chose de minusculement minuscule.
Je trouvais ça dingue.
La réaction initiale de tout le monde,
c'est que ça allait être impossible.
En 1973, Kip Thorne consigne son scepticisme par écrit
dans un livre devenu un classique,
très dubitatif sur le fonctionnement.
Mais Kip n'a jamais entendu Rai Weiss
expliquer son plan en détail.
Quand il finit par le faire...
On a passé la nuit à en parler.
J'ai dit que si, c'était très possible.
Et en un rien de temps, 20 minutes ou une demi-heure,
Kip avait tout compris et a acquiescé.
Et j'ai dû reconnaître mes erreurs,
car après avoir parlé des détails avec Rai,
j'ai décidé de passer une grande partie
du reste de ma carrière à aider les expérimentateurs.
Mais il faudra attendre 40 ans
et d'énormes sommes d'argent
pour concrétiser la vision de Rai et de Kip.
Fonder le LIGO
a été extrêmement controversé.
Des centaines de millions de dollars
pour détecter un signal jamais encore observé.
LIGO OBSERVATOIRE D'HANFORD
Beaucoup de gens craignaient
que le LIGO ne soit un gouffre financier.
C'était assez controversé.
Tout le monde était d'accord sur un point :
c'était très difficile.
Avec un instrument aussi sensible,
l'un des plus gros défis
était l'ancien fléau de Rai Weiss : le bruit.
Le mouvement du sol.
Le mouvement sismique de la Terre.
Le bruit acoustique,
les sons...
Tout tendait à bouger ce miroir.
Même le vide le plus total
crée un problème potentiellement paralysant.
À des distances subatomiques,
les aléas bizarres du monde quantique
engendrent un désordre dans les miroirs.
Ce bruit quantique est dû à des fluctuations quantiques.
Ces miroirs font la même chose qu'un électron dans un atome,
ils s'agitent.
Une sensitivité très raffinée,
le vide total,
des centaines de milliers de circuits électroniques...
Le LIGO est un des instruments les plus complexes
de l'histoire des sciences.
Dans l'objectif d'éliminer les faux signaux,
on a construit non pas une,
mais deux installations complètes :
une dans l'État de Washington, l'autre en Louisiane.
Les concepteurs du LIGO ont fait les choses bien.
Ils ont conçu plus d'un détecteur,
séparé du second par une grande distance,
donc, si l'un détecte quelque chose mais pas l'autre,
il faut revérifier l'électronique,
regarder si ce n'était pas un poisson d'Avril,
si quelqu'un n'a pas juste tripoté les boutons.
Début de l'automne 2015.
Les deux sites sont opératoires,
mais la 1re expérimentation scientifique n'a pas encore commencé.
On est encore en phase de test.
Dans les premières heures du dimanche 14 septembre 2015,
un scientifique de Louisiane prend une décision fatidique.
Robert Schofield avait travaillé tout le week-end
sur la finalisation des calibrages.
Allez, on prend un spectre.
Il ne lui reste qu'un seul test.
Voyons voir d'où cet ordinateur tire son énergie.
Mais il est tard et les équipements ne sont pas très coopératifs.
Il devait être 4 h du matin, un truc dans le genre,
et il nous restait encore une heure de travail.
Les choses ne fonctionnaient pas très bien,
et j'étais exténué.
On va zapper cette dernière heure de travail.
Ils décident d'aller se coucher.
Et 40 minutes plus tard,
dans le silence de leur inactivité,
ils ouvrent la porte de l'histoire.
Une puissante onde gravitationnelle gronde sur les deux détecteurs,
en Louisiane et dans l'État de Washington.
Si Robert Schofield avait travaillé 40 minutes de plus cette nuit-là,
avec les instruments en mode test,
on aurait manqué l'enregistrement
d'un signal qui voyageait depuis 1,3 milliard d'années.
J'aime dire
que c'est une de mes plus grandes contributions au LIGO,
ma paresse de ce jour-là.
J'ai reçu un e-mail de quelqu'un
qui me disait de regarder ça.
J'ai regardé, et je me suis exclamé : "Bordel de..."
Elle était tellement puissante
qu'on pouvait la voir à l'œil nu dans la base de données.
C'était trop beau pour être vrai.
Mais c'était vrai.
En fait, c'était fort et très clair.
Comme un chant.
C'était là, devant nous.
Le signal a duré moins d'une seconde,
mais dans ce très court instant,
il a délivré un profond message cosmique
de plus d'un milliard d'années,
prouvant l'existence des trous noirs.
Ce qu'on a vu dans le signal
implique des oscillations de miroirs, d'abord lentes,
puis de plus en plus rapides.
C'était précisément le genre de comportement
qu'on attendait de la part d'une onde gravitationnelle
causée par deux trous noirs se tournant l'un autour de l'autre,
en spirale.
Deux trous noirs massifs,
l'un de 29 fois la masse du Soleil,
l'autre de 36 fois,
se tournant autour des centaines de fois par seconde,
jusqu'à finaliser leur destruction mutuelle en fusionnant...
Créant un seul trou noir, plus grand, de 62 fois la masse solaire.
La fusion violente convertit une partie de la masse
en un relâchement apocalyptique d'énergie,
au-delà de tout ce qui avait jamais été observé.
La collision, en effet,
crée une véritable tempête dans le tissu ou le façonnement
de l'espace et du temps,
comme si on avait pris trois Soleils
et qu'on les avait anéantis,
convertis en des ondes gravitationnelles.
La puissance était 50 fois plus forte que la puissance intégrale
de toutes les étoiles de l'univers à la fois,
en une fraction de seconde.
L'explosion la plus puissante
dont les êtres humains aient jamais eu la preuve,
à l'exception du Big Bang.
Depuis ce premier signal en septembre 2015,
Le LIGO a détecté quelques autres collisions de trous noirs.
En octobre 2017, Rai Weiss, Kip Thorne
et Barry Barisch, l'ancien directeur du LIGO,
ont reçu le prix Nobel.
Les découvertes du LIGO prouvent que les trous noirs peuvent fusionner,
une des façons par lesquelles ils peuvent grandir plus vite.
On a de plus en plus de preuves de ces fusions de trous noirs,
donc il existe beaucoup de trous noirs stellaires
qui peuvent se rencontrer et fusionner.
La découverte a ouvert une nouvelle ère
dans la manière d'observer l'univers.
Nous avons toujours pensé l'astronomie comme un champ d'observation
dans lequel nous cherchons des radiations.
Nous voyons des choses,
mais ce n'est pas de la radiation.
C'est quelque chose de plus fondamental.
Il y a des sortes de frissons dans l'espace-temps lui-même.
On peut désormais entendre l'univers.
Pour la première fois,
les astronomes ont simultanément vu et entendu un événement cosmique.
En août 2017, le LIGO a détecté des ondes gravitationnelles
provenant de la collision de deux étoiles à neutrons.
Les trous noirs sont un vide spatial,
mais les étoiles à neutrons sont de denses étoiles mortes
qui peuvent s'écraser l'une contre l'autre et illuminer les cieux.
Quand les télescopes et les satellites autour du globe
ont pointé en direction du son,
le monde a vu des feux d'artifice
dans une collision explosive joyeuse.
Il est possible que la collision ait créé
un nouveau trou noir.
Mais à moins d'observer la formation d'un trou noir,
beaucoup de choses resteront un mystère.
Il y a tant de choses sur les trous noirs
qui sont irrémédiablement hors de notre portée,
qu'on ne saura jamais d'où ils viennent,
ni ce qu'ils contiennent ou leur histoire.
Mais on peut imaginer leur futur.
Le nombre de trous noirs dans l'univers est en augmentation.
Et ils deviennent de plus en plus gros.
Des étoiles implosent,
des trous noirs se nourrissent et fusionnent,
de nouveaux trous noirs se forment.
Peut-être qu'un jour,
ils finiront par tout avaler
et ils régiront l'univers ?
Dans des trillions et des trillions d'années,
quand les dernières miettes de matière traverseront l'horizon des événements,
les trous noirs eux-mêmes pourraient irradier
et disparaître de cette réalité.
Leurs mystères sont nombreux, et on commence à peine
à découvrir les secrets de ces endroits étranges et puissants.
Mais une chose est certaine.
Les trous noirs continueront de nous intriguer,
de nous titiller,
et de mettre au défi la science et notre imagination.
EN MÉMOIRE DE CAROLYN LYNCH. EN REMERCIEMENT DE SA PASSION
POUR LES SCIENCES ET DE SON DÉVOUEMENT POUR L'ÉDUCATION.
Traduit par: Solène Lecoq-Thual