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Le trou noir L'ergosphère (IV) Du
fait qu'il existe une singularité de densité et courbure d'espace-temps
infinies dans une singularité, la
force gravitationnelle devient infinie sur la surface de Schwarzschild si
le vaisseau est au repos. Si un corps accélère dans l'ergosphère dans le sens de la
rotation d'un trou noir, la force reste limitée, on dit qu’elle
devient finie, tant sur la surface que dans l’ergosphère. Il en
résulte qu’un corps qui se déplace sur une trajectoire circulaire dans
l’ergosphère d’un trou noir ne tombera pas au centre. Cela signifie
aussi que le taux de rotation change drastiquement sur la limite statique,
qui rappelons-le est la limite où un corps peut rester au repos par
rapport à un trou noir. Tant qu'on réside dans l’ergosphère, on peut donc
s’échapper d’un
trou noir.
Quelle
que soit leur vitesse angulaire incidente dans l’ergosphère, une fois l’horizon
externe des événements franchit, tous les corps présentent la même vitesse
angulaire et tournent à la même vitesse que la surface de Schwarzschild du trou noir,
comme s’ils étaient collés sur un solide. Pour un gyroscope au repos,
sa vitesse angulaire augmente et tend vers l’infini sur la surface de l’horizon
interne. Passé ce rayon de Schwarzschild, toutes les particules demeurent éternellement prisonnières du trou noir. Rien ne peut s’en échapper.
La durée de vie dans un trou noir Pour un trou noir hypermassif de 20 milliards de masse solaires, Kip Thorne a calculé que la chute dans l’ergosphère dure 20 heures. Quelques dizaines de kilomètres plus bas, une seconde avant d’atteindre la singularité, les forces de marées s’intensifient exponentiellement, deviennent sensibles à la moindre oscillation et 1/100eme de seconde avant de franchir le pas fatal les forces deviennent infinies.
Après
avoir traversé l’horizon externe des événements, la durée de vie de notre ami est grosso modo
proportionnelle à la masse du trou noir. Elle égale au temps que prend la lumière pour
couvrir la distance égale à la taille du trou noir. Pour un trou noir de
10 M¤,
cette durée maximale est de 10-5
sec. Il s’agit en effet d’une durée maximale, car la seule méthode
qu’aurait pu utiliser notre ami pour survivre le plus longtemps possible
dans ces conditions aurait été d’utiliser la pleine puissance de son
vaisseau jusqu’à l’horizon interne du trou noir. Ensuite de couper
complètement ses moteurs afin de tomber en chute libre jusqu’à la
singularité. La durée de cette chute représente sa durée de vie
maximale. En effet, toute tentative pour utiliser ses rétrofusées pour
ralentir la chute n’aurait fait que réduire - de son point de vue - la
durée de ses dernières secondes si je puis me permettre l’expression,
la durée de sa chute dans le trou noir.
Les trous noirs étant capables d'interagir avec le monde extérieur, nous savons à présent que le vortex gravitationnel qui entoure un trou noir provient de son énergie de rotation. Peut-on imaginer réduire la masse d’un trou noir ? Imaginons que notre ami David tombé dans le trou noir essaye de consommer toute l’énergie de son vaisseau pour vaincre la force gravitationnelle qui devient infinie sur l’horizon des événements. En libérant ses gaz à cet endroit, le vaisseau ne fait qu’augmenter la masse du trou noir, et sa taille. En fait, Roger Penrose découvrit que pour retirer le maximum d’énergie de rotation d’un trou noir, les moteurs de son vaisseau devaient paradoxalement être allumés sur l’horizon. Dans ce cas, la taille de l’horizon ne se modifie pas, mais le trou noir perd son énergie de rotation. L’énergie utilisée par les moteurs du vaisseau est en fait extraite du vortex. Il en résulte que le trou noir ralentit progressivement sa vitesse de rotation. Ce processus peut se répéter un nombre infini de fois. Mais il n’existe aucun moyen pour réduire la taille d’un trou noir; le trou noir reste un minuscule puits sans fond qu’il est impossible de remplir. La superradiance
Selon Novikov, si on parvient à placer une sphère artificielle réfléchissant les ondes électromagnétiques autour d’un trou noir en rotation, la condition de superradiance peut être rencontrée un court instant. Cela signifie que pendant que les ondes sont attirées vers le trou noir, elles seront amplifiées, puis se propageront dans l’espace avant d’être réfléchies par la sphère qui l’entoure. Elles seront réattirées vers le trou noir où l’amplification se répétera. Ce processus provoque une augmentation de l’énergie de radiation du trou noir en avalanche. Le trou noir et la sphère réfléchissante deviennent un générateur de rayonnement qui, sous la pression de radiation, finira par faire exploser le système : c’est une bombe gravitationnelle. Un lieu hors-la-loi La première loi de la thermodynamique nous dit que dans la nature, dans un système fermé ou dissipatif, tout se transforme. Ainsi, sous certaines conditions l’énergie potentielle devient énergie cinétique ou chaleur par exemple. Même au niveau quantique la matière conserve ses propriétés; les nombres quantiques sont conservés. Paradoxalement, on considère que dans un trou noir le champ associé aux nombres baryoniques ne serait pas conservé. En clair, si un trou noir absorbe les constituants ordinaires de la matière tels que les protons et les neutrons, par un processus quantique il ne réémettrait pas seulement des protons et des neutrons mais également des antiprotons et des antineutrons, en violant la loi de conservation du nombre quantique baryonique.
L'effet "Seeing-is-believing" ou le principe de saint Thomas Jusqu'en 2004, grâce aux travaux de Hawking on disait qu'en jetant un objet dans un trou noir, personne ne pouvait savoir ce qu’il recevrait en retour si le trou noir lui renvoyait de la matière. Le trou noir était considéré comme une décharge universelle mais également comme une véritable caverne d’ali-baba; versez-lui vos détritus et vous récolterez des chaînes hifi, une voiture sport et que sais-je encore ! C’est une façon de parler, mais il semblait que les lois de la nature étaient tellement bouleversées dans un trou noir qu’il était impossible d’en prédire l’avenir du fait qu'aucune information ne pouvait en échapper. En théorie aucun objet ne peut en sortir non plus car pour se faire, il devrait violer plusieurs lois fondamentales de la physique : celle de la causalité et de l'entropie. Il devrait remonter le temps et revenir dans le passé, l'effet précédant une cause qui n'existe pas ! C'est la théorie des fontaines ou des trous blancs. L'autre solution, c'est un espace-temps conservant son sens. Selon John Wheeler, on pourrait aboutir dans un univers parallèle en utilisant pour sas de liaison des trous de vers dans l’hyperespace. Reste à matérialiser ce concept utopique. Mais fin 2004, Hawking a avoué avoir fait une erreur dans ces calculs et a annoncé qu'un trou noir finirait par libérer l'information qu'il retenait prisonnnière. En d'autres termes, son avenir serait prédictible et son évolution serait totalement déterminée depuis sa formation. Cela dit, au demeurant, le trou noir demeure un lieu hors-la-loi où les scientifiques perdent souvent pieds faute d'une théorie complète de la gravité quantique. Prochain chapitre
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