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trou noir

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trou_noir_300La semaine dernière, je vous ai montré (dans ce billet) comment on pouvait appréhender la notion de trou noir rien qu’en utilisant des concepts de physique de lycée; notamment qu’on pouvait voir un trou noir comme un astre dont la vitesse de libération est supérieure à celle de la lumière.

Et pourtant cette façon de voir les choses ne résiste pas à une analyse plus poussée. En effet, tant qu’on considère la gravité comme une simple force, on peut toujours imaginer arriver à la contrer en prenant un moteur suffisamment puissant qui délivrerait une force encore supérieure. Donc dans la théorie de la gravité de Newton, il n’est pas vraiment possible d’avoir des trous noirs.

Pour comprendre pourquoi même la plus puissante des fusées ne pourrait pas se sortir d’un trou noir, il faut abandonner l’idée que la gravité est une force normale. Et pour cela il va falloir mettre un peu les mains dans le cambouis, et traiter le problème avec les outils de la théorie de la relativité générale d’Einstein.

trou_noir_300Le concept de trou noir a de quoi heurter notre sens commun. Une région de l’espace dont rien ne pourrait s’échapper, même pas la lumière ?

Difficile à envisager, n’est-ce pas ?

Et si on imaginait aller dans un trou noir avec une fusée équipée d’un moteur hyper-méga-supra-giga-puissant ? Est-ce qu’on ne pourrait quand même pas en ressortir ?

Eh bien non ! Aussi grande que soit la force produite par votre moteur, elle sera toujours trop petite pour parvenir à vous sortir du trou noir. Mais pour l’admettre, il faut se faire à l’idée que depuis Einstein, on a compris que la gravité ne fonctionne pas comme les autres forces.

trou noir 300Cela fait un moment que je n’ai pas écrit de billet de physique théorique qui pique. Ça tombe bien : je vais pouvoir vous parler de ce paradoxe qui, depuis quelques mois, donne des insomnies à quelques chercheurs, spécialistes de ce domaine qu’on appelle la gravité quantique.

La question qui provoque tout cette agitation est « que se passe-t-il quand on tombe dans un trou noir ? » La réponse est bien évidemment qu’on finit par mourir.

Mourir, oui, mais comment ?

Il y a quelques mois, des chercheurs de l’Université de Santa Barbara en Californie ont publié un article démontrant que – contrairement à ce que l’on pensait – tout ce qui tombe dans un trou noir finit par se faire carboniser au contact de ce qu’ils ont appelé « un mur de feu » (firewall). Et l’air de rien, cette affirmation menace gravement certains fondements de la physique !

Ces derniers temps, le nouvel accélérateur de particules du CERN a beaucoup fait parler de lui avec la chasse au boson de Higgs.

Mais souvenez-vous qu’il y a quelques années, à l’époque de la construction du grand collisionneur LHC, une polémique existait sur les dangers d’un accélérateur de particules si puissant, et notamment sur le risque potentiel d’y créer des trous noirs.

Dans ce billet, je vous propose de voir en quoi certaines théories comportant des dimensions supplémentaires d’espace-temps conduisent à la prédiction que des trous noirs pourraient être créés au CERN.

Rassurez-vous, au menu d’aujourd’hui, il n’y aura ni théorie des cordes sauvage, ni formules mathématiques obscures, mais juste des estimations d’ordres de grandeur réalisées à l’aide de ce qui devrait être le couteau suisse de tout bon physicien : l’analyse dimensionnelle !

Les trous noirs font partie des prédictions les plus étonnantes de la relativité générale, ils méritaient bien une vidéo à eux !

http://www.youtube.com/watch?v=TdnER8AeIdw

Contourner la vitesse de libération

Comme je l’ai rappelé à la fin de la vidéo, l’argument que j’expose au début pour justifier l’existence des trous noirs n’est pas absolument correct. Comme souvent en physique, en raisonnant avec les mains on arrive à se faire une intuition de ce qui se passe, mais si on regarde dans le détail, l’argument ne tient pas. C’est d’ailleurs normal puisque ce raisonnement se base sur les équations de la gravité de Newton, et qu’on sait qu’en gravité newtonienne, les trous noirs n’existent pas ! Ce serait donc bien étonnant qu’on arrive à démontrer qu’ils existent sans faire appel à la relativité générale.

Alors voici la faille dans l’argument (faille que l’on voit d’ailleurs rarement exposée, alors faites passer le mot), et on verra ensuite comment faire mieux.

La vidéo de cette semaine parle d’un sujet mystérieux et chaud : la matière noire !

https://www.youtube.com/watch?v=M5X_Ijxm2bw

Comme toujours, allons-y pour les compléments, à destination de ceux qui s’interrogent ou veulent creuser plus loin !

Tout d’abord, il faut reconnaître que finalement, le terme de matière noire (ou sombre) est plutôt mal choisi. Si l’on considère le fait qu’une des spécificités de cette matière est de ne pas interagir avec le rayonnement électromagnétique (et donc la lumière), on devrait plutôt parler de matière transparente !

La vidéo du jour parle d’un sujet que j’avais brièvement évoqué dans mon épisode sur la relativité restreinte, mais qui méritait bien un traitement spécifique : le paradoxe des jumeaux de Langevin.

https://www.youtube.com/watch?v=T-z_zRcLGAk

Et si les jumeaux communiquent ?

(Edit 08/03/20) Je n’avais pas anticipé que tant de gens poseraient la question de ce qu’il se passe si les deux jumeaux communiquent « par téléphone » (ou autre) pour comparer leurs âges en permanence.

Eh bien ça ne marche pas de façon si simple, car la communication ne peut pas aller plus vite que la lumière ! Voici un schéma qui montre à quoi pourrait ressembler la conversation. Au bout d’un an dans son référentiel, le jumeau terrestre envoie un message pour donner son âge (1 an donc). L’autre le reçoit au bout de 2 ans et quelques (dans son référentiel), et décide de répondre. Le jumeau terrestre n’aura la réponse qu’à 5 ans (dans son référentiel).

Temps propre et temps des coordonnées

Il y a un point essentiel à bien comprendre pour saisir toute la saveur du paradoxe des jumeaux, et j’espère avoir réussi à le faire passer dans la vidéo : la différence entre la notion de temps propre, et celle de « temps des coordonnées ».

Hier soir, j’ai sorti une petite vidéo de réaction à chaud à l’annonce de la « découverte » des ondes gravitationnelles par la collaboration LIGO.

http://www.youtube.com/watch?v=1WKWEbmaN30

Quelques petites commentaires pour venir compléter ce que j’ai dit.

Cela fait maintenant quelques semaines que mon temps et mon énergie vont plutôt dans la réalisation de vidéos que dans l’écriture de billets de blog. Pour ceux qui préfèrent la forme écrite à Youtube, j’ai décidé de me rattraper en vous proposant en alternance avec les vidéos une petite série de 3 billets consacrés aux éléments de base de la cosmologie théorique, une discipline pas si imbitable qu’on le croit ! Comme d’habitude, l’idée est que ces billets soient lisibles avec des connaissances de lycée.

Le billet de cette semaine commence avec le Big-Bang, et les deux suivants seront consacrés respectivement au destin de l’Univers, et au mystère de l’énergie noire.

L’équation d’Einstein

Toute la cosmologie moderne est fondée sur la théorie de la relativité générale d’Einstein. J’ai déjà eu l’occasion de l’écrire de nombreuses fois ici, la grande idée d’Einstein a été d’expliquer l’attraction gravitationnelle non pas par une « force » comme le faisait Newton, mais en disant que si les objets massifs s’attirent, c’est parce qu’ils courbent l’espace-temps autour d’eux.

courbure

Pour pouvoir concrétiser cette idée, Einstein avait besoin d’une équation qui permette de quantifier ce lien, c’est-à-dire qui relie la courbure de l’espace-temps à la masse. Cette équation, il la trouva en 1915 après de nombreuses tentatives infructueuses. Là voici, et on l’appelle tout simplement l’équation d’Einstein

$latex R_{\mu\nu} – \frac{1}{2}Rg_{\mu\nu} = \frac{8\pi G}{c^4} T_{\mu\nu}&s=3&fg=0000aa$

Nouvelle vidéo, avec un gros morceau qui m’a demandé pas mal de boulot !

http://www.youtube.com/watch?v=rXhzeKh8yBk

Pour ceux qui ont encore faim, quelques précisions en vrac pour compléter cette vidéo qui forcément n’aborde le sujet que de manière superficielle.