Roger Penrose, grand mathématicien et astrophysicien britannique spécialisé dans le domaine du trou noir, a reçu il y a quelques semaines le prix Nobel de physique 2020. Ses travaux, inspirés des équations d’Einstein, démontrent que les trous noirs peuvent se former de manière réaliste dans notre univers, mais nous montrent aussi de quelle manière. Ces découvertes ont été récompensées par l’académie suédoise, pour qui « la découverte que la formation des trous noirs est une prédiction robuste de la théorie générale de la relativité ».

Comme l’a noté Roger Penrose, une étoile sphérique sans rotation finira inévitablement par s’effondrer pour devenir un trou noir. Il s’avère que la gravité n’a pas besoin d’être la seule force, mais seulement la force dominante. Lorsque la matière s’effondre, elle franchit un seuil critique pour la quantité de masse dans un certain volume, ce qui conduit à la formation d’un horizon d’événements. Finalement, tout objet au repos (quelle que soit la distance qui le sépare de l’horizon d’événement initial) traversera cet horizon et rencontrera la singularité centrale, soit le cœur infinitésimal d’un trou noir.


Si, d’une manière ou d’une autre, les forces électromagnétiques et quantiques qui protègent la Terre contre l’effondrement gravitationnel étaient désactivées, la Terre se transformerait rapidement en trou noir. Voici ce à quoi cela ressemblerait.

À l’heure actuelle, si la Terre est stable et empêche l’arrivée d’un effondrement gravitationnel, c’est parce que les forces entre les atomes qui la composent (plus précisément entre les électrons des atomes voisins) sont suffisamment importantes pour résister à la force de gravité cumulée fournie par la masse entière de la Terre. Cela ne devrait pas être surprenant, car si l’on compare la force gravitationnelle à la force électromagnétique entre deux électrons, cette dernière force est toujours plus forte d’un facteur d’environ 1042.

Cependant, dans les noyaux d’étoiles suffisamment massifs, ni la force électromagnétique ni même le principe d’exclusion de Pauli ne peuvent résister à la force qui provoque l’effondrement gravitationnel. Si la pression de radiation du noyau (provenant de la fusion nucléaire) tombe en dessous d’un seuil critique, l’effondrement en un trou noir devient alors inévitable.

Bien que les chances que cela se produise soient proches de zéro, car il faudrait que la matière terrestre soit remplacée instantanément par de la matière noire, ou que les forces non gravitationnelles des matériaux composant la Terre s’interrompent, nous pouvons imaginer ce qui se produirait en cas d’effondrement gravitationnel.

Tout d’abord, la matière qui compose la Terre solide commencerait immédiatement à s’effondrer, comme en chute libre vers le centre de la Terre. Là, la masse s’accumulerait, et sa densité augmenterait régulièrement au fil du temps. Le volume de ce matériau se réduirait au fur et à mesure de son accélération vers le centre, tandis que la masse resterait la même.

En l’espace de quelques minutes, la densité au centre commencerait à augmenter de façon spectaculaire, tandis que des matériaux de tous les rayons différents passeraient par le centre d’inertie exact de la Terre, simultanément, encore et encore. Au bout de 10 à 20 minutes environ, suffisamment de matière se serait accumulée dans les quelques millimètres du centre pour former un horizon des événements pour la première fois.

Après quelques minutes de plus (21 à 22 minutes au total), la masse entière de la Terre se serait effondrée en un trou noir de seulement 1,75 cm de diamètre : le résultat inévitable de l’effondrement de la masse de matière de la Terre en un trou noir.

Mais à la surface, que ressentirions-nous ? Croyez-le ou non, ce scénario serait identique à ce qui se passerait si on remplaçait instantanément la Terre par un trou noir de masse équivalente à celle de notre planète. La seule exception est ce que nous verrions : en regardant vers le bas, un trou noir déformerait simplement l’espace sous nos pieds tandis que nous tomberions vers lui, ce qui déformerait la lumière à cause de la lentille gravitationnelle.

Cependant, si la matière qui compose la Terre parvenait à émettre ou à réfléchir la lumière ambiante, elle resterait opaque, et nous pourrions voir ce qui se passe à la surface sous nos pieds pendant notre chute. Quoi qu’il en soit, la première chose qui se produirait serait une transition entre le repos (où la force des atomes à la surface de la Terre nous repousserait avec une force égale et opposée à l’accélération gravitationnelle) et la chute libre : à 9,8 m/s — (9,75 m/s²), vers le centre de la Terre.

Contrairement à la plupart des expériences de chute libre que nous connaissons sur Terre aujourd’hui, comme le saut en parachute depuis un avion, cette expérience serait étrange, mais surtout, continue.

 

  • Vous ne sentiriez pas de vent sur votre peau, mais plutôt l’air qui accélérerait vers le centre de la Terre au même rythme que vous.
  • Il n’y aurait aucune force de traînée sur vous, et vous n’atteindriez jamais une vitesse maximale, ou terminale. Vous tomberiez simplement de plus en plus vite.
  • Cette sensation dans l’estomac que l’on ressent en haut des montagnes russes commencerait dès le début de la chute libre, mais se poursuivrait sans cesse.
  • Vous ressentiriez une apesanteur totale, comme un astronaute de l’ISS, et vous ne pourriez pas sentir à quelle vitesse vous tombez. Ce qui serait une bonne chose, car en plus de tomber de plus en plus vite vers le centre de la Terre, votre accélération augmenterait à mesure que vous vous approcheriez de cette singularité centrale.

 

Crédit photo : ANDREW HAMILTON / JILA / UNIVERSITY OF COLORADO

 

Comme le montre l’illustration ci-dessus, la taille des flèches (ainsi que la vitesse à laquelle elles se déplacent) augmente à mesure que l’on se rapproche de la singularité centrale d’un trou noir. Selon la gravité newtonienne, qui est une bonne approximation tant que vous êtes loin de l’horizon des événements (ou de la taille équivalente de l’horizon des événements), l’accélération gravitationnelle subie quadruple chaque fois que votre distance d’un point diminue de moitié. Selon la gravité einsteinienne en revanche, qui est importante lorsque vous vous rapprochez de l’horizon des événements, votre accélération augmentera de façon encore plus significative.

Si vous commenciez immobile, vous suivriez les étapes suivantes :

  • Une fois tombé à mi-chemin du centre de la Terre, soit une distance d’environ 3187 km, vous vous déplaceriez à une vitesse de 11 km/s,
  • Une fois tombé à 90 % du centre de la Terre, il ne resterait donc plus qu’environ 637 km, vous vous déplaceriez à une vitesse de 34 km/s,
  • Une fois tombé à 99 % du centre de la Terre, il ne resterait donc plus qu’environ 64 km, vous vous déplaceriez à une vitesse de 112 km/s,
  • Une fois arrivé à moins de 1 km du centre de la Terre, vous vous déplaceriez à 895 km/s.

 

Pourtant, bien que la chute soit rapide, vous n’auriez jamais l’occasion de la constater de vos propres yeux. En effet, votre corps, se rapprochant de plus en plus du centre de la Terre, commencerait à ressentir d’énormes augmentations de la force des marées. Alors que nous associons normalement les marées à la Lune, le même phénomène serait en jeu ici. Chaque point le long d’un corps dans un champ gravitationnel subit une force gravitationnelle dont la direction et l’ampleur sont déterminées par son déplacement par rapport à la masse qui l’attire.

Pour une sphère, comme la Lune, le point le plus proche de la masse sera attiré le plus ; le point le plus éloigné sera attiré le moins. De même, les points qui sont excentrés seront plutôt attirés vers le centre. Alors que le centre lui-même subit une attraction moyenne, les points qui l’entourent subiront différents niveaux d’attraction, ce qui étire l’objet dans la direction de l’attraction et le comprime dans la direction perpendiculaire.

Ici, à la surface de la Terre, ces forces de marée sur un être humain sont minuscules : un peu moins d’un millinewton, soit la force gravitationnelle sur une petite boucle d’oreille. Mais au fur et à mesure que vous vous rapprocheriez du centre de la Terre, ces forces s’intensifieraient chaque fois que vous réduisez votre distance de moitié.

Lorsque vous aurez parcouru 99 % du trajet jusqu’au centre de la Terre, la force qui éloigne vos pieds de votre torse et votre tête de vos pieds atteindrait environ 45 kg, soit comme si l’équivalent de votre propre poids cherchait à vous disloquer. 

Lorsque vous subissez une force sur votre corps qui équivaut à l’accélération gravitationnelle de la Terre (ou égale à votre poids) on parle d’une forme de 1 g. En général, les humains ne peuvent supporter qu’une poignée de g pendant une période prolongée avant que des dommages durables ne se produisent, ou avant de perdre connaissance.

  • Les montagnes russes peuvent supporter jusqu’à 5 ou 6 g, mais seulement pendant une courte période.
  • Les pilotes de chasse peuvent supporter jusqu’à 12 à 14 g sans perdre connaissance, mais seulement dans une combinaison pressurisée.
  • Les humains ont connu et survécu à des accélérations extrêmement brèves (moins d’une seconde) de 40 à 70 g, mais le risque de décès est considérable.

 

Au-delà de ce seuil, vous risquez un traumatisme, et même la mort.

 

Lorsque vous serez à environ 25 km de la singularité centrale, vous aurez franchi un seuil critique : celui où ces forces de marée provoqueront un étirement traumatique de votre colonne vertébrale, la faisant s’allonger si fortement que les vertèbres individuelles ne pourront plus rester intactes. Un peu plus loin (à environ 14 km du centre), vos articulations commenceront à sortir de leurs cavités.

Afin de vous rapprocher de l’horizon des événements, vous devriez vous protéger d’une manière ou d’une autre de ces forces de marée, qui déchireraient vos cellules individuelles, et même les atomes et molécules qui vous composent, avant de franchir l’horizon des événements. Cet effet d’étirement dans une direction et de compression dans l’autre est connu sous le nom de spaghettification, et c’est ainsi que les trous noirs déchirent et tuent tout ce qui s’aventure trop près d’un horizon d’événements où l’espace est trop fortement courbé.

Aussi incroyable que puisse paraître la chute dans un trou noir, si la Terre en devenait un, vous ne pourriez jamais l’expérimenter par vous-même. Vous vivriez 21 minutes dans un état étrange : la chute libre, alors que l’air autour de vous tomberait exactement au même rythme. Au fil du temps, vous sentiriez l’atmosphère s’épaissir et la pression atmosphérique augmenter alors que tout s’accélèrerait vers le centre de la Terre et que des objets non fixés au sol vous attaqueraient de toutes les directions.

Mais à l’approche du centre, vous ne pourriez pas sentir votre déplacement dans l’espace. À la place, vous commenceriez à ressentir une force de marée inconfortable, comme si les composants individuels de votre corps étaient étirés à l’intérieur. Ces forces de spaghettification déformeraient votre corps, provoquant des douleurs, une perte de conscience, la mort, avant d’atomiser votre corps. À la fin, comme tout ce qui existe sur Terre, vous seriez absorbés par le trou noir, ne faisant qu’ajouter plus à sa masse. Pendant les 21 dernières minutes de notre vie, sous les seules lois de la gravité, nous serions cette fois-ci tous égaux.

 

Article traduit de Forbes US – Auteur : Ethan Siegel

 

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