Les ETOILES GEANTES ROUGES

Tout comme les espèces vivantes et les civilisations humaines, les étoiles ne sont pas éternelles. Elles naissent dans les limbes obscures des nébuleuses gazeuses et cotonneuses, vivent ensuite leur vie lumineuse avec calme ou agitation, et meurent enfin comme elles ont vécu, sereinement ou dans une apothéose grandiose.

Les étoiles sont des êtres physiques organisateurs. Elles sont dotées à la fois de propriétés ordonnatrices, productrices, fabricatrices et créatrices. Elles sont bien plus que les centres d'une machine horlogère constituée de planètes. Ce sont à la fois les plus archaïques des moteurs, les plus archaïques des machines, les plus archaïques des systèmes régulateurs. Elles demeurent les plus grands distributeurs d'énergie connus, les plus avancés de tous les réacteurs nucléaires connus, les plus grands fours à transmutation connus, les plus grandioses de toutes les machines connues, toujours supérieurs dans l'organisation globale, bien que - et parce que - toujours inférieurs dans l'organisation du détail aux machines artificielles. Elles offrent le plus admirable exemple d'organisation spontanée : cette fabuleuse machine, qui s'est faite d'elle-même, dans et par le feu, et cela non pas une seule fois par chance incroyable, mais des milliards et des milliards de fois, turbine, fabrique, fonctionne, se régule sans concepteur, ingénieur, pièces spécialisées, sans programme ni thermostat.

C'est l'accrétion d'une boucle tourbillonnaire de gaz, originellement composé d'hydrogène (76%) et d'hélium (24%), enrichie par la suite en gaz plus lourds et en poussières galactiques par les générations d'étoiles successives, qui va donner naissance à la proto-étoile par l'allumage de réactions thermonucléaires internes, résultat de l'effondrement gravitationnel de la nébuleuse de départ. En fonction de la masse initiale de ce nuage interstellaire, l'étoile va être plus ou moins volumineuse et massive. L'échelle qui s'est imposée pour différencier les différents types d'étoile a été naturellement notre soleil qui nous sert d'unité. Le soleil vaut par définition une masse solaire, notée 1Mo.

Dans leur grande diversité, les étoiles ont une masse comprise entre 0,06 Mo et 60 Mo mais plus des trois quarts d'entre elles ont une masse variant de 0,5 Mo à 2 Mo. Signalons au passage que la distribution des nuages nébuleux d'où sont issues les étoiles est de nature fractale, comme l'est aussi celle des nuages de notre atmosphère terrestre.

En deçà de 0,06 Mo, la gravité est insuffisante pour démarrer l'amorçage des réactions thermonucléaires. Jupiter par exemple avec sa masse de 0,001 Mo est une étoile avortée. A l'inverse, au-delà de 60 Mo, le nodule gazeux tend à se fragmenter pour former un système d'étoiles double, ou, s'il arrive à se maintenir, la pression des radiations issues du coeur est tellement forte que l'excédant de gaz se disperse sous forme de vent stellaire.

On peut distinguer en gros trois catégories d'étoiles:

• les petites étoiles appelées naines brunes parce que leur couleur est rouge brunâtre, de masse jusqu'à 0,5 Mo
• les étoiles moyennes de même type que notre soleil, de masse comprise entre 0,5 et 3 Mo
• les géantes, de masse de 3 Mo et plus

Comme l'indique le diagramme de Hertzprung-Russel, en annexe, les étoiles brillent différemment selon leur taille. Leur éclat suit une échelle logarithmique. Plus l'étoile est chaude et massive, plus sa clarté est intense. La couleur des étoiles dépend en grande partie de leur masse et de leur degré d'évolution. Elle va du rouge au bleu selon les températures croissantes. Les étoiles rouges sont " froides " ou en fin de vie, les bleues sont " chaudes ", en général jeunes et massives.

L'étoile commence à brûler en son coeur l'élément le plus léger et le plus abondant qu'elle possède : l'hydrogène. C'est dans son coeur, véritable creuset alchimique, que s'exercent des pressions gravitationnelles considérables qui amènent les atomes d'hydrogène à une température de 10 millions de degrés par frottements, échauffement et collisions. La réaction hydrogène ==> hélium peut alors démarrer et caractérise ce que les astrophysiciens ont appelé la séquence principale. C'est de loin la plus longue, puisqu'elle couvre les neuf dixièmes de la vie de l'étoile.

Durant cette phase d'équilibre relatif, les forces de gravitation qui tendent à comprimer l'étoile s'équilibrent aux forces radiatives des réactions de fusion qui tendent à la faire exploser. Ni la couleur, ni le débit d'énergie, ni le volume de l'étoile ne varient significativement. L'étoile reste telle qu'elle était à sa naissance, dans un régime de croisière constant.

La complémentarité des antagonismes entre les forces implosives et explosives se nourrit donc de l'antagonisme des complémentarités, car la fusion des atomes d'hydrogène en atomes d'hélium est très improbable et accidentelle, et s'équilibre en créant un phénomène producteur et générateur d'existence, l'étoile elle-même.

Cette phase est directement liée à la masse de l'étoile. Plus celle-ci est importante, plus les forces gravitationnelles vont être écrasantes en son coeur, et plus la combustion thermonucléaire sera en contrepartie importante, en masse et en volume, pour arriver à cet équilibre thermodynamique. La masse détermine donc l'éclat, la température externe, et surtout la durée de vie de l'étoile, de façon inversement proportionnelle : les étoiles massives sont gourmandes et prolixes et brûlent l'hydrogène à tout va, alors que les étoiles comme notre soleil sont beaucoup plus sages et économes. Cette durée de vie s'étage de 900 milliards d'années pour les naines rouges (toute une éternité... ) à quelques dizaines de millions d'années seulement pour les plus massives (juste un soupir...). Notre soleil, comme les étoiles de sa catégorie, a une durée de vie estimée à 10 milliards d'années; nous en sommes environ à la moitié. Nous n'avons donc rien à craindre pendant ce laps de temps.

Il est important de préciser ce point car la vie - du moins celle que nous connaissons basée sur le carbone - nécessite 2 à 3 milliards d'année environ pour émerger et se développer sur une planète proche. Elle ne peut donc le faire ni au voisinage d'une étoile géante et massive, dont la durée de vie est trop courte, ni au voisinage d'une étoile naine, insuffisamment calorique. Pourtant, si elles ne peuvent générer la vie dans leur voisinage, ces étoiles géantes ont apporté et apportent encore les éléments chimiques fondamentaux et premiers de la vie, ses briques élémentaires.

Voici comment.

Quand l'étoile a brûlé tout l'hydrogène de son coeur, c'est-à-dire à peu près 10% du total de l'étoile, la réaction hydrogène ==> hélium s'épuise, l'équilibre thermodynamique se rompt, et les forces gravitationnelles à l'oeuvre reprennent le dessus. Le coeur s'effondre et la température grimpe rapidement jusqu'à 100 millions de degrés, de quoi amorcer la réaction thermonucléaire suivante, celle de l'hélium en carbone.

Mais il se produit une chose curieuse : l'allumage atomique de l'hélium ne peut arrêter immédiatement la contraction du coeur; car, comme le freinage d'une voiture, cela demande un délai. La température continue donc à s'élever, nourrie à la fois par la contraction et la formation d'énergie nouvelle. Elle ne tarde pas à franchir la barre des 250 millions de degrés, ce qui a pour effet d'emballer la fusion de l'hélium. Ce gaz est très sensible à l'augmentation de température et se consume alors sept fois plus vite. Des milliers de milliards de tonnes se transforment chaque seconde en carbone, soit la valeur des océans terrestres en un jour. A ce rythme, ce nouveau combustible se consume rapidement en libérant un véritable feu d'artifice d'énergie qui gonfle l'étoile. Quand le soleil vivra cet événement, il grossira jusqu'à 300 millions de kilomètres, englobant et carbonisant la Terre, dans environ 4 à 5 milliards d'années.

Ce feu d'artifice s'appelle le "flash" de l'hélium. Il a pour conséquence de dilater le coeur, dont la température diminue enfin, ce qui ralentit l'emballement de la combustion et provoque une nouvelle stabilité thermodynamique. Parallèlement et simultanément, les couches extérieures soumises à la pression accrue des radiations et au flash du coeur, s'enflent d'un facteur 100 environ; la couche externe la plus proche du coeur s'allume à son tour dans une combustion périphérique hydrogène ==> hélium, qui a le double effet de renforcer le gonflement de l'astre et d'alimenter de quelques pour cent supplémentaires le coeur en hélium.

Tous ces facteurs se combinent entre eux pour donner naissance à une géante rouge.

Les étoiles de masse 1 à 2 Mo vont s'arrêter au carbone, car la contraction gravitationnelle ultérieure de l'étoile sera insuffisante pour atteindre la température d'amorçage de la fusion du carbone en oxygène et en néon. Ce type d'étoile va expulser son atmosphère sous forme de vent stellaire et terminer sa course en naine blanche.

Par contre, les géantes de masse supérieure à 3 Mo vont continuer ce cycle de transmutations jusqu'au fer, comme l'indique le tableau en annexe, par flashs et rebonds gravitationnels successifs.

Au cours de ces transmutations, l'étoile va se structurer en couches concentriques de la périphérie jusqu'au coeur, comme des pelures d'oignon. Chaque couche correspond au niveau de température requis pour la synthèse d'un élément, du plus léger au plus lourd, à mesure que l'on se rapproche du coeur. Ces fusions sont elles mêmes de plus en plus énergétiques, complexes et rapides : le carbone mettra environ 600 ans à brûler, le néon 1 an, l'oxygène 6 mois, le silicium 1 jour. Elles s'arrêteront au fer, car le fer est un des éléments les plus stables de la nature.

Voyons, pour finir, quel va être le destin final de ces géantes rouges super massives.

Le chant du cygne d'une étoile de 30 Mo

Le coeur de l'étoile

• Le coeur de l'étoile est maintenant un noyau de fer pur. La nucléosynthèse s'épuise. L'étoile agonise. Sa force de radiation diminue dramatiquement.
  
  
• La pression gravitationnelle augmente alors et la température monte inéluctablement sous l'effet de la pression.
  
  
• Cette température intense provoque la photodissociation du fer par émission de rayons gamma très puissants : ⁵⁶Fe ==> 13(⁴He) + 4 neutrons Cette réaction nucléaire est endothermique, c'est-à-dire qu'elle absorbe de la chaleur.
  
  
• Ce "refroidissement" du coeur produit un effondrement gravitationnel immédiat en moins de 0,01 seconde.
  
  
• Le plasma d'électrons libres et dégénérés qui faisait barrage à la gravitation comme un ciment incompressible finit par céder et pénètre les protons qui deviennent du même coup neutrons. Le coeur de l'étoile devient de façon instantanée un immense noyau neutronique de 6 Mo. Sa densité croît jusque environ 10 milliards de tonnes / cm ³ (1 cm ³ est l'équivalent d'un dé à coudre) et la température s'emballe jusqu'à 100 milliards de degrés.
  
  
• Face à de telles conditions d'apocalypse, l'espace-temps se déforme, se courbe, et se replie sur lui-même. Le coeur de neutrons disparaît dans un trou noir de 18 kms de rayon.
  
  
• Il ne subsiste plus alors qu'un puits gravitationnel qui absorbe tout ce qui passe aux alentours. Le trou noir est tapi à l'affût et invisible, comme perdu dans un autre monde ...

Les restes de l'étoile

• Les couches extérieures se sont très dilatées et se sont structurées en pelures d'oignon, chacune effectuant encore la nucléosynthèse des éléments intermédiaires: Hélium, Carbone, Oxygène, Néon, Magnésium, Silicium, Fer, au fur et à mesure que l'on se rapproche du coeur.
  
  
• Au moment de l'implosion finale, les couches intermédiaires qui s'effondrent heurtent violemment le coeur devenu solide et rebondissent en formant une onde de choc extrêmement puissante qui s'échappe de l'étoile. Cette onde de choc explosive arrache au coeur une fraction des neutrons et des neutrinos produits. Les neutrinos sont des particules de masse quasi nulle, qui n'interagissent pratiquement pas avec la matière et la traverse donc à la vitesse de la lumière. Ces neutrinos emportent avec eux une partie de l'énergie gravitationnelle qui n'a pas été piégée par le trou noir.
  
  
• L'énergie dégagée par cette onde de choc est d'une puissance inouïe. Une masse équivalente à des milliers de Terres est transformée en travail et en lumière selon la formule connue E=mc². Cette onde de choc se propage à une vitesse proche de celle de la lumière. Elle freine dans son explosion l'effondrement des couches hautes de l'étoile t en inverse le mouvement, qui d'implosif devient explosif.
  
  
• Les neutrons libérés se propagent avec l'onde de choc, et réagissent très énergiquement avec les autres noyaux atomiques présents. Par addition rapide de neutrons, ils construisent avec le carbone, l'oxygène, le silicium, etc... pratiquement tous les éléments lourds que nous connaissons. Aux fusions thermonucléaires se mêlent maintenant les désintégrations radioactives des éléments lourds produits : nickel, cobalt, etc... Les fusions successives sont quasi instantanées et se produisent par un emballement de réactions thermonucléaires en chaîne dans un feu d'artifice généralisé et inflationnaire : la transmutation des atomes atomise en quelque sorte les transmutations successives.
  
  
• Ces réactions rapides exothermiques renforcent l'onde de choc qui finit par expulser dans un bouquet final les couches extérieures de l'étoile, soit 24 Mo, vers l'espace intersidéral.
  
  
• Une Supernova vient de naître.
  
  
• Elle va briller d'une lumière extraordinaire, comme cent galaxies réunies, soit presque tout l'univers visible pour nous, pendant une brève période, puis restera plus brillante qu'une galaxie pendant les trois à quatre premiers mois de son existence. C'est ainsi que nos ancêtres ont du voir la Supernova du Crabe en 1054, devenue maintenant nébuleuse, et plus récemment, que nous est apparue la Supernova du grand nuage de Magellan en 1987.
  
  
• Les éléments synthétisés plus lourds que le fer ne représentent que 0,1 % de la masse totale éjectée, c'est bien peu, et pourtant !

Epilogue

Si les étoiles massives ne peuvent engendrer directement la vie dans leur périphérie, elles sont cependant responsables de ses fondements les plus élémentaires. Sans elles, ni le carbone, ni l'oxygène, sans parler des éléments plus lourds, n'auraient pu exister. A partir des 76% d'hydrogène et des 24% d'hélium primitifs, ces étoiles ont ensemencé l'univers avec tous les autres éléments que nous connaissons, environ une centaine. C'est dans leurs apothéoses finales et par un brassage continu et continuel de nébuleuses de plus en plus chargées en éléments lourds et complexes, que les étoiles actuelles de deuxième et troisième génération ont pu constituer des planètes solides où a pu apparaître la vie, l'intelligence et la conscience, nous, puisque nous sommes là pour en parler. Nous sommes donc les enfants ultimes des Supernovae primitives, des poussières d'étoiles, comme aime à le dire Hubert Reeves.

Rêvons et philosophons un peu ... la tête dans les étoiles

Les étoiles sont bien des êtres alchimiques, mais la vie ... est-ce leur pierre philosophale ?

Il est troublant de constater que la nature cherche sans cesse à se réfléchir à travers la complexité de ses évolutions les plus abouties, les plus surprenantes, et les plus incertaines : la vie et la conscience. Cette conscience qui nous habite, qui raisonne et réfléchit, qui n'est pas matérielle mais a pourtant besoin du substrat biologique et matériel de notre cerveau pour naître et s'exprimer, ne résonne t-elle pas comme l'écho lointain et nostalgique de cette unité originelle d'où nous venons ? D'ailleurs nous appartient-elle en propre ou traverse-t-elle toute chose ? Est-elle le fondement ou le principe même de l'univers, son intention ? ("Etres inanimés auriez-vous donc une âme ?") Dans notre curiosité insatiable, nous cherchons à le savoir et nous voulons pour cela remonter le temps jusqu'au Big Bang, il y a 13,7 milliards d'années environ. La grande interrogation actuelle des scientifiques et des astrophysiciens est de savoir ce qu'il y avait avant. Devant cette singularité, cette fluctuation quantique où le temps s'arrête et les lois de la physique disparaissent, il est à peu près certain que nous n'aurons jamais d'autre réponse qu'une conjecture invérifiable. Nous sommes donc irrémédiablement condamnés à emporter avec nous cette part de nostalgie comme une tristesse indélébile. Nous ne le saurons jamais car nous sommes à jamais marqués par la flèche du temps et par le sceau de l'éternité.

Nous voyons donc que ces grandes questions scientifiques sont devenues philosophiques, voire métaphysiques, parce que les grandes questions philosophiques ou métaphysiques sont devenues maintenant scientifiques.

Annexes

L'évolution des étoiles en abrégé

La densité du noyau résiduel est une densité moyenne globale. La densité du trou noir est aussi une densité moyenne calculée sur la base du rayon de Schartzschild du trou noir et de la masse du noyau résiduel qui y est disparu.

La densité moyenne d'un trou noir diminue en proportion de l'inverse du carré de la masse qui y est enfermée. Ainsi, la densité qu'il faudrait atteindre pour faire un trou noir au moyen d'une masse de 1,5 Mo est de 8 x 10 ¹⁵ g/cm ³. On voit (colonne 2) que la densité atteinte par le noyau résiduel de 1,5 Mo est "seulement" de 3 x 10 ¹⁵ g/cm ³, ce qui explique pourquoi il ne disparaît pas dans un trou noir.

Réactions thermonucléaires majeures au sein des étoiles

Ces réactions sont classées par température d'ignition croissante, depuis 10 millions de degrés pour l'hydrogène jusque 6 milliards de degrés pour le fer. Seule la dissociation du fer par les rayons gamma est endothermique; ce refroidissement provoque l'implosion du coeur de l'étoile et son explosion en supernova. La table se borne aux quelques réactions majeures qui concernent les 9 éléments les plus abondants dans l'Univers. Les 83 autres éléments absents représentent ensemble moins de 0,1% de la masse totale de la matière. Le symbole n représente le neutron.

Diagramme théorique de Hertzsprung-Russell

La durée du séjour de chaque étoile témoin sur la séquence principale est indiquée au-dessous de sa masse (la masse du Soleil Mo est choisie comme unité). Les flèches indiquent l'évolution des étoiles vers la branche des géantes rouges. L'ignition des éléments successifs est indiquée par leur symbole chimique. Les retours des trajets vers la gauche indiquent la compression du coeur de l'étoile vers une plus haute température, après épuisement d'un combustible donné. La montée en luminosité est apparente surtout pour les masses faibles; elle provient de la convection des couches profondes qui assurent un transport plus efficace de la chaleur vers les couches supérieures. Les états finaux sont : NB = naine blanche, NP = nébuleuse planétaire, SN = supernova. Les naines blanches "nues" réapparaissent au bas du diagramme après dissipation des atmosphères étendues

"La supernovae du siècle est, en ce qui nous concerne, SN 1987A. Elle apparut le 23 février 1987 dans le Grand Nuage de Magellan, une des galaxies "satellites" de la nôtre. Elle permit aux scientifiques de recueillir une masse énorme de données sur le phénomène supernovae. Pour le plaisir des yeux, je présente ci-dessus l'un des plus beaux restes de supernova." (Thomas Douvion)

SINGULARITE, INFINI et TROU NOIR

Tâchons d'abord de définir ce qu'on entend par singularité. Pour les mathématiciens, une singularité est le point mathématique auquel une grandeur donnée est infinie.

Mais qu'est-ce que l'infini ? En mathématiques, infini est le nom que l'on donne à ce dont la grandeur dépasse les capacités d'imagination de nos esprits.

C'est pourquoi il y a toujours eu de nombreux mathématiciens pour s'opposer à ce que l'on pense l'infini comme quelque chose de "défini". Pour eux, l'infini est un concept qui désigne quelque chose "en puissance" plutôt qu' "en acte". Ils préfèrent penser l'infini comme une progression interminable de choses définies, que nous pouvons imaginer; ainsi la suite des nombres entiers: 1, 2, 3, ... etc.

D'autres mathématiciens tiennent l'infini pour un concept entier et défini (désignant quelque chose "en acte"), Et parmi eux, l'allemand Georg Cantor qui a posé le principe, à travers la théorie des ensembles, que l'on pouvait rationnellement traiter l'infini comme un concept achevé, comme une entité "en acte".

Mais existe t-il dans la nature une preuve d'un infini "défini" pleinement actualisé ?

Si oui, une telle preuve fournirait aux mathématiciens au moins une justification physique de l'existence conceptuelle d'un infini explicite. Sinon, les mathématiciens qui soutiennent que l'idée d'un infini "en acte" est sans fondement sont peut-être dans le vrai.

Comme nous allons le voir, il existe en effet dans la nature des infinis suffisamment circonscrits et localisés pour être considérés comme des entités pleinement définies. A ce titre, l'exemple du cosmos tendrait à nous prouver le contraire, à savoir que l'infini est une progression interminable d'étoiles et de galaxies dont nous ne pouvons imaginer, et encore moins observer l'étendue dans sa totalité.

L'INFINI de L'ELECTRON

L'une des plus anciennes incarnations connues d'un infini localisé est tout simplement l'électron. S'il fallut en effet attendre 1897 pour qu'un électron soit réellement isolé en laboratoire, on peut remonter jusqu'aux alentours de 600 av. JC, pour trouver le savant et mathématicien Thalès de Milet (en Ionie) spéculant sur l'émission d'une force électrique par d'infimes corpuscules. Il fut l'un des premiers à étudier l'attraction électrostatique produite par le frottement d'un chiffon de laine sur un morceau d'ambre.

Dès le XVIIIe siècle, des expériences faites avec des globes électrostatiquement chargés nous avaient appris que la force électrique d'un électron va en diminuant à mesure qu'on s'éloigne de cette particule infime. Les plus révélatrices de ces expériences furent conduites par l'ingénieur français Charles de Coulomb qui, en 1785, découvrit et démontra que si l'on multipliait par deux la distance nous séparant d'un électron, la puissance du champ électrique se trouvait divisé par quatre; "en raison inverse du carré de la distance" disait Coulomb, énonçant l'une des lois fondamentales de l'électricité, et qui porte son nom désormais.

Simple mais saisissante implication de la loi de Coulomb : la force électrique augmente à mesure qu'on approche de l'électron; si nous divisons par deux la distance qui nous en sépare, la puissance de sa charge électrique sera quadruplée. Et juste au-dessus de l'électron lui-même, la puissance est d'une force infinie : incarnation d'un infini mathématique. Cet infini n'ayant pas une étendue illimitée mais se trouvant plutôt confiné en un point, l'électron est bien un infini localisé, et qui plus est mobile, puisque les électrons sont libres d'aller et venir. Mais il est effectivement difficile de voir réellement cette infinité matérielle de l'électron, si ce n'est à travers des technologies électroniques sophistiquées.

L'INFINI du TROU NOIR

Il existe un autre exemple, remarquable, d'infini localisé dans la nature, que nous devrions cette fois être capables de voir effectivement. Il s'agit d'un trou noir, résultat de l'effondrement gravitationnel d'une étoile supermassive, comme nous l'avons plus haut.

Cet objet d'une densité inimaginable, cet infini localisé, porte le nom de trou noir parce que sa force gravitationnelle est si intense que même les rayons lumineux qui passent dans son voisinage en deviennent prisonniers. Cette distance critique s'appelle rayon de schwarzchild. Il est défini par la formule Rs = 3 Mo , Rs étant le rayon de schwarzchild en kilomètres, et Mo étant la masse enfermée à l'intérieur du trou noir, exprimée en masses solaires. Ainsi, un trou noir contenant 6 fois la masse du Soleil a un rayon de schwarzchild de 18 kms.

Trous noirs et rayonnements

C'est précisément parce qu'un trou noir se comporte comme un aspirateur d'une puissance irrésistible dans son environnement proche qu'on a supposé, jusqu'à récemment, qu'un trou noir vu de loin ressemblerait tout à fait à un ... trou noir. Aucune chance pour nous d'apercevoir le point d'infinie densité lui-même, puisqu'il réside au beau milieu de la région opaque. Quelque lumière que pût émettre cet infini localisé, on supposait qu'il lui était impossible de s'échapper pour parvenir jusqu'à nous.

Selon la physique d'Einstein, s'échapper d'un trou noir serait tout à fait impossible: une fois qu'un objet a entamé sa chute à l'intérieur du rayon de schwarzchild, il lui faudrait en effet un apport d'énergie infini pour se libérer de l'attraction du trou noir.

Mais après Einstein, il y a eu Bohr, Heisenberg et la physique quantique; et rien ne sera plus jamais pareil. Cette version Einsteinienne du trou noir est équivalente à l'affirmation que la matière située à l'intérieur du trou noir est définitivement piégée, "assignée à résidence" dans ce volume d'espace. Un énoncé aussi absolu est contraire à l'esprit quantique.

Rien n'est jamais définitivement localisé quelque part. Il y a toujours une probabilité d'en sortir. Si le mur d'enceinte est trop haut, on creusera un tunnel; si les prisonniers sont patients, ils s'évaderont. Il suffit d'attendre.

En vertu de ce principe, les trous noirs "s'évaporent". Constamment, de la matière s'échappe sous forme de rayonnement. Les trous noirs "brillent" ! Leur surface se comportent comme celle de n'importe quel corps porté à une certaine température. Plus la masse d'un trou noir est grande, plus sa température est faible et plus son évaporation est lente. Mais cette évaporation diminue la masse du trou noir. La température alors s'accroît et la perte de masse s'accélère.

Quand la masse est réduite à environ 50 microgrammes, la masse d'un grain de sable très fin, c'est l'apothéose !

L'évaporation se transforme en une explosion d'une violence inouïe. L'éclat est comparable à celle de 10 millions de milliards de galaxie.... Cette masse de 50 microgrammes s'appelle la "masse de Planck". C'est la masse théorique du plus petit trou noir qui puisse exister dans la nature. La température superficielle est alors de 10 ³² degrés (température de Planck). Il s'évapore en 10 ^{- 43} seconde (temps de Planck). La température de Planck est celle de l'univers au moment où, dans notre exploration du passé, nous avons perdu la trace, où nous avons rencontré le mur de l'ignorance, à la singularité du Big Bang.

Par comparaison, un trou noir de la masse du Soleil aurait une température superficielle extrêmement faible : un millionième de degré Kelvin environ. Son évaporation totale exigerait plus de 10 ⁶⁴ ans, à condition que la température du rayonnement fossile dans lequel il est immergé soit inférieur à la sienne. Ce n'est pas le cas aujourd'hui. Le rayonnement est à 3 degrés Kelvin. Au rythme de l'expansion et du refroidissement cosmique actuel, il faudrait attendre plus de 10 ²⁰ ans avant le début de l'évaporation d'un tel trou noir.

Sans "tomber" dans ces extrêmes, on a aussi prédit dernièrement l'existence possible de trous noirs "ordinaires". Selon l'astronomie moderne, ces infinis localisés qui s'enveloppent d'un linceul d'obscurité pourraient être aussi petits que les noyaux atomiques (environ 10 ^{- 15} m de large) et libres de circuler comme les électrons. On pense que ces mini trous noirs se sont formés il y a dix milliards d'années sous l'effet des pressions et températures énormes dont on suppose l'existence lorsque l'Univers était encore dans l'enfance. Quoique minuscules, ils n'en sont pas moins massifs (ils auraient la masse d'un iceberg), et il est probable que d'une collision avec l'un d'entre eux pourraient résulter de grands dommages.

Dès le moment où l'idée de mini trous noirs fut l'objet de débats parmi les astronomes, beaucoup de gens imputèrent la mystérieuse explosion de 1908, dans la Toungouska en Sibérie centrale, à la collision d'un trou noir avec la Terre. A l'époque, les habitants de la région racontèrent qu'ils avaient vu une boule de feu traverser le ciel, et dont la luminosité était si éclatante qu'elle "faisait même paraître sombre la lumière du Soleil". Il n'y a bien entendu aucun moyen d'avoir une certitude sur ce qui s'est produit là à ce moment, mais une collision avec un mini trou noir dégagerait une très grande quantité d'énergie, assez, selon certains calculs, pour égaler la puissance d'une petite bombe atomique.

UNE SINGULARITE BIEN SINGULIERE

Des infinis localisés tels que l'électron et le trou noir sont ce que les scientifiques nomment des singularités. Ce sont, comme nous l'avons vu, des points dans l'espace ou le temps, dans certains cas, où une quantité physique donnée est d'une grandeur infinie.

Comme tels, leur existence sape l'argument selon lequel parler de l'infini en tant qu'entité actuelle et définie serait sans fondement rationnel. Une singularité est un infini que vous pourriez, en principe, tenir dans la paume de la main. En fait, pour ce qui est de l'électron, il y en a des milliards de milliards dans la peau de votre paume.

Pourquoi ne serait-il pas légitime, en effet, de défendre le droit à l'existence conceptuelle (à travers les mathématiques) de ce qui existe physiquement ? Pour autant, ce n'est pas que l'identification de ces singularités nous ai fait progresser en quoi que ce soit dans la capacité à nous représenter la grandeur de l'infini; mais le résultat nous donne tout de même raison d'imaginer qu'une telle grandeur peut être pensée plutôt comme une entité achevée, aux limites définies, que comme une frontière au recul incessant, sans limites bien définies.

En outre, même si les scientifiques n'avaient aucune preuve de singularités telles que les électrons ou les trous noirs, il resterait encore au moins un témoin - non négligeable - en faveur de l'infini en acte; présent dès le premier jour où nous est venue l'idée d'infini, où nous l'avons nommé et où nous avons commencé à débattre de ses subtiles qualités.

Cette très vénérable preuve d'un infini pleinement actualisé est l'esprit lui même. Car, quoique l'infini soit confiné là dans un volume relativement important au regard de l'électron ou du trou noir, l'esprit n'a rien à leur concéder ... en singularité !

Le ROLE CURIEUX du TEMPS en RELATIVITE

Nous nous bornerons à montrer par un exemple le rôle étrange du temps en relativité, qui semble en apparence contradictoire avec notre sentiment du temps qui s'écoule uniformément. Précisons encore que les deux parties complémentaires de la relativité dites " restreinte " et "générale " ont été abondamment vérifiées par l'observation, de sorte que leurs conséquences ne sont nullement douteuses.

En géométrie, nous savons tous que l'hypoténuse z du triangle rectangle est liée aux deux côtés x et y par la relation: z² = x² + y²

En relativité, l'intervalle r qui sépare deux événements se construit d'une manière un peu analogue en utilisant leur distance spatiale x et leur séparation temporelle t : r² = x² - t²

La surprise s'introduit d'une manière insidieuse par la présence du signe moins devant le temps, au lieu du plus dans la formule du carré de l'hypoténuse. On ne peut malheureusement pas inverser les termes, car c'est r qui est invariable et x ou t (ou x' et t') qui sont relatifs et dépendent du mouvement de l'observateur.

C'est ce signe négatif devant le carré du temps qui rend son comportement différent de celui des coordonnées spatiales, et fait que la géométrie de l'espace temps n'est pas intuitive.

Considérons, comme premier exemple, l'écoulement du temps dans le voisinage d'un trou noir. Imaginons un observateur situé à une distance x du centre du trou noir dont le rayon de schwarzchild est x0. Appelons t0 le temps propre de l'observateur, c'est-à-dire celui marqué par sa montre.

Comme nous sommes extrêmement loin du trou noir, notre temps n'est pas le même : appelons le t. Les deux temps s'écoulent d'une manière différente, qui est donnée par la relation suivante : t0² = (1 - x0/x) t² Très loin du trou noir, x est immensément plus grand que x0, de sorte que la fraction x0/x est pratiquement nulle; la parenthèse vaut pratiquement l'unité, et les deux temps sont les mêmes.

Mais dans le voisinage du trou noir, le carré du temps ralentit en proportion de la fraction exprimée par la parenthèse. Par exemple, à un endroit x qui est à deux rayons x0 du centre du trou noir, la parenthèse devient : (1 - x0/2x0) = 1/2. Le temps propre de l'observateur s'écoule alors racine de 2 fois moins vite que le nôtre, soit seulement 71% du nôtre.

En revanche, à une distance x qui n'est plus qu'à 1% de la surface du trou noir, le temps s'écoule 10 fois plus lentement que le nôtre. Finalement, si notre observateur est juste à la surface du trou noir, alors x = x0 et la parenthèse devient nulle. Cela veut dire que quel que soit le temps t, le temps t0 ne s'écoule plus; le temps est arrêté à la surface du trou noir. Les surprises ne font que commencer.

A l'intérieur du trou noir, x est plus petit que x0 , donc x0/x est plus grand que 1, et la parenthèse devient négative.

L'ESPACE COMPLEXE DU TEMPS IMAGINAIRE
Ou comment s'imaginer spatialement le temps complexe

Cela signifie donc que le carré du temps propre est égal à un nombre négatif, et nous savons que la solution d'une telle équation nécessite l'emploi des nombres complexes, qu'on appelle aussi nombres imaginaires. Le temps devient donc imaginaire.

Mais prenons le problème différemment. A l'intérieur d'un trou noir, l'intervalle r qui sépare deux événements s'exprime toujours par l'équation: r² = x² - t², mais cette fois t² est négatif, de sorte que si nous utilisons la valeur absolue |t²| , on a : r² = x² + |t²| ce qui signifie que tout à coup le temps est devenu de l'espace puisqu'il respecte la règle du carré de l'hypoténuse, comme toute autre dimension spatiale !

Nous venons de voir que la dimension réelle entre le temps et l'espace réside dans le signe négatif que nous devons placer devant le carré du temps pour calculer l'intervalle qui sépare deux événements. Ce signe provient de la vitesse finie de transmission de la lumière, mais cette discussion nous entraînerait trop loin.

Mais voilà que ce signe peut changer au sein d'un trou noir, ce qui a pour effet de supprimer l'écoulement du temps en lui donnant des propriétés spatiales.

Le physicien Stephen Hawcking pense qu'il y a un autre cas où cela peut arriver : c'est au début de l'Univers, lorsque toutes les dimensions étaient suffisamment petites pour être considérablement influencées par les fluctuations provenant du principe quantique de Heisenberg. Notamment, lorsque l'intervalle de temps considéré est suffisamment petit, des fluctuations de nature quantique peuvent changer le signe du carré du temps - le cours du temps, autrement dit -, de sorte qu'à ce moment le temps disparaît, et il ne reste plus qu'une petite bulle à 4 dimensions spatiales.

Nous sommes donc revenus à reculons et mentalement à la bulle dont une fluctuation a déclenché l'écoulement du temps et a provoqué le Big Bang. Pour visualiser ce temps imaginaire comme un espace temporel complexe, Stephen Hawcking utilise une propriété topologique de la sphère, qui est "sans bord", et par analogie, il utilise l'image de la Terre, en situant les émergences de ce temps imaginaire et du big bang au Pôle Nord.

Comme le temps imaginaire se comporte exactement comme l'espace, ainsi que nous venons de le voir, de nouvelles possibilités s'ouvrent avec son utilisation. L'une d'elles est que l'espace et le temps imaginaire forment un espace-temps d'étendue finie, mais sans frontière, ni bord, et surtout sans singularité.

On peut se représenter la direction nord-sud de la Terre comme la dimension du temps imaginaire dans l'espace-temps, et la direction est-ouest comme l'une des trois dimensions spatiales. Alors, le temps imaginaire commencerait au Pôle Nord, qui est le point le plus au nord de la Terre, et s'achèverait au Pôle Sud.

S'interroger sur des événements antérieurs au début du temps imaginaire, serait comme de s'interroger sur des endroits situés plus au nord que le Pôle Nord : cela n'existe tout simplement pas !

Si la proposition "sans bord" est correcte, Dieu n'aurait aucun choix quant à l'état et à l'évolution de l'univers contrairement à ce que pensait Einstein dont la célèbre boutade " Dieu joue-t-il aux dés avec l 'univers ? " traduit la nécessité d'une intervention extérieure. La façon dont l'Univers a commencé, à la singularité du big bang dans le temps ordinaire, serait déterminée par son comportement, et son absence de frontière, dans le temps imaginaire.

Comme cette interprétation de Stephen Hawcking fusionne la relativité et la théorie quantique, à un moment où il n'y a pas encore une théorie générale qui les fusionne, il faudra attendre que cette théorie (dite de super symétrie) émerge enfin, soit validée, et s'impose, pour savoir si l'intuition de Hawcking était justifiée.

Liens

A "aspirer" intégralement, le site de Christian Magnan Sous-directeur de laboratoire au Collège de France, Paris - GRAAL Université de Montpellier II. Ce site réalisé par un scientifique de haut niveau est sans conteste ce qui se fait de mieux en matière de vulgarisation grand public. Compréhensible par tous, avec une culture scientifique minimale, l'auteur vous invite à un voyage au coeur du cosmos. Peu de chances pourtant d'y rencontrer des extra-terrestres, l'auteur n'y croit pas et vous expliquera pourquoi.
http://www.lacosmo.com/

Un site perso de vulgarisation fort bien fait, à la fois clair, précis et bien documenté, et qui plus est, fort pédagogique, avec des tas d'illustrations. Son auteur s'est visiblement donné du mal pour rendre le plus abordable possible les conjectures théoriques actuelles concernant les trous noirs, difficiles à saisir, car très peu intuitives. Si vous voulez en savoir plus sur ce sujet singulier et passionnant, voici le lien où cliquer :
http://nrumiano.free.fr/index.html

Le site de la NASA avec ses animations MPEG (en anglais)
http://legacy.gsfc.nasa.gov/docs/snr.html
http://legacy.gsfc.nasa.gov/docs/blackhole.html
http://apod.nasa.gov/htmltest/rjn_bht.html

Plus tous les autres liens que vous trouverez à partir de ceux là ou via les moteurs de recherche.

 

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