Radiations de trous noirs à l’heure des petits fours

Les théories cosmiques qui ont rendu célèbre le physicien ont été postulées il y a 40 ans exactement

Parler en société de Stephen Hawking nécessite de savoir ce qui a rendu le brillant physicien paralysé si célèbre dans l’univers scientifique. En l’occurrence, il s’agit de théories des plus sombres et absconses, car elles concernent les trous noirs. Petit cours de rattrapage?

Un trou noir est ogre. Un objet céleste qui a avalé tant de matière et est devenu si dense que plus rien ne peut en sortir, même pas la lumière. D’où son nom. Il en existe trois types: les «stellaires», formés par l’implosion de grosses étoiles; les «supermassifs», nés de l’effondrement d’étoiles aux origines de l’Univers et qui occupent aujourd’hui le centre des galaxies, comme notre Voie lactée; enfin, les «primordiaux», fruits d’une conjecture théorique tant ils n’ont encore jamais été observés, qui pourraient être de taille infime, et dont d’aucuns craignaient la formation lors du lancement de l’accélérateur LHC au CERN en 2008.

Tous ces trous noirs sont ceints d’une limite de non-retour, sorte de sphère virtuelle appelée «horizon des événements», au-delà de laquelle tout objet qui s’aventure ne peut plus revenir, se voyant irrémédiablement boulotté par le croque-mitaine cosmique.

En 1974, après de savants calculs, Hawking conclut que cette sphère invisible qu’est l’horizon des événements ne peut que gonfler avec le temps. Il rapproche alors sa réflexion d’une autre théorie énoncée en 1824 déjà, concernant l’entropie, une donnée qui elle aussi ne peut que croître. L’entropie décrit l’état de désordre d’un système, tel un gaz insufflé dans une bouteille: il est aisé d’imaginer qu’avec le temps, ses molécules se répartissent selon un degré de désorganisation de plus en plus grand. Cette théorie, appelée «second principe de la thermodynamique», dit que l’entropie d’un système peut être aussi décrite pas sa température – le chaos des molécules sera plus grand dans un gaz chaud que froid. Or si un corps a une certaine température, même minime, il émet un rayonnement (dit du «corps noir»).

Pour celles et ceux qui ont perdu ici le fil, ce sur quoi il faut insister entre deux petits fours est à venir: grâce à des manipulations mathématiques impliquant les lois de la mécanique quantique, Stephen Hawking montre en 1975 que ces deux théories se marient! Autrement dit: les trous noirs se comportent comme des «corps noirs» et émettent eux aussi de faibles rayonnements. Au final, ces ogres célestes ne sont donc pas si imperméables qu’on l’avait dit. Ces rayonnements sont appelés «radiations de Hawking» et constituent sa découverte majeure. Champagne!

Mais l’histoire continue. Ces émanations des trous noirs les feraient rétrécir, jusqu’à s’escamoter. Les trous noirs stellaires et supermassifs sont toutefois trop gros pour s’évaporer. Mais pas leurs microcousins primordiaux. Or si un trou noir disparaît totalement: que devient tout ce qu’il a englouti?

Classiquement, il est possible de montrer que toute l’information qui dépasse l’horizon d’un trou noir est perdue pour notre Univers. Mais la mécanique quantique a parfois ses raisons que notre raison a du mal à saisir: elle ne tolère pas que cette information soit perdue. Stephen Hawking n’a d’abord pas accepté cette idée, arguant que les radiations qui portent son nom avaient un contenu trop faible en informations pour renseigner sur la nature de la matière avalée. Il a aussi émis l’idée que cette dernière passe dans un autre univers à travers un «trou de ver», sorte de tuyau imaginaire entre deux univers dont les orifices seraient au centre des trous noirs.

Coup de grisou intersidéral en 2004: le scientifique se ravise, et admet que de l’information peut sortir des trous noirs, mais «de manière désordonnée». Il revient alors sur l’idée d’un «horizon des événements» net, inconciliable avec les fluctuations de l’espace-temps au sein de ces objets célestes, et préfère celle, plus lâche, d’un «horizon apparent». La ­publication de cette théorie en 2005 fait jaser. Mais en 2014, l’intéressé enfonce le clou: «Il n’y a pas de trou noir… Le concept de trou noir est incompatible avec la physique quantique. […] On ne peut rendre compte parfaitement de ces astres curieux tant que nous n’avons pas élaboré une théorie de la gravité unifiée, ­capable de concilier les lois de la physique quantique des échelles subatomiques [dans le monde de l’infiniment petit] avec la ­relativité générale qui rend compte de l’astronomie», l’infiniment grand.