Disparition de Stephen Hawking, l’explorateur des trous noirs

12/05/2018
Auteurs : Marc Leconte
Publication REE REE 2018-2
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2018-2:22865
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Disparition de Stephen Hawking, l’explorateur des trous noirs

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REE N°2/2018 Z 33 Stephen Hawking est décédé le 13 mars 2018 à l’âge de 76 ans. Sa carrière scientifique a été marquée par la recherche constante des origines de l’Univers et de la phy- sique des trous noirs. Il était devenu une icône médiatique, image d’un pur esprit dans un corps malade. D’une certaine manière, sa maladie vient questionner la réalité de sa car- rière scientifique : si Stephen Hawking n’avait pas été victime d’une maladie aussi spectaculairement handicapante, serait-il aussi connu dans le monde entier et sa mort aurait-elle été annoncée dans tous les média de la planète ? La suite de cet article permet de mieux comprendre la réalité de l’apport de Stephen Hawking à la science. Stephen Hawking fait ses études à l’Université d’Oxford et mène une thèse à l’Univer- sité de Cambridge. En 1965, il obtient son doctorat portant sur l’étude des singularités. En 1970, il montre, avec Roger Penrose, que les débuts de l’Univers sont caractérisés par une singularité. En 1974, il élabore une théorie sur le rayon- nement des trous noirs, appelé rayonnement de Hawking. Il devient titulaire de la chaire Lucasien de l’Université de Cam- bridge, moins de 20 ans après Dirac et 300 ans après Isaac Newton. En 1988 il publie « Une brève histoire du temps » qui deviendra un succès mondial. Nous développons ces points dans les paragraphes suivants. Retour sur la cosmologie du XXe siècle La cosmologie est la partie de l’astronomie qui traite de l’Univers dans son ensemble. Considérer une science de l’Univers implique l’existence de lois universelles immuables qui s’appliquent partout et que cette science a pour but de découvrir. Historiquement l’astronomie était une discipline d’obser- vation, consistant à recenser les objets visibles de la Terre, à les classer en différents catégories qui, au cours des siècles, se précisèrent en planètes, étoiles et galaxies. Les moyens d’observation, depuis les chaldéens de Babylone, ont évolué de l’œil à la lunette, aux télescopes pour en arriver aux puis- sants moyens d’aujourd’hui. Galilée avait déjà de manière prémonitoire pensé que la matière était universelle et, au XIXe siècle, la spectroscopie analysait la lumière et permettait de connaître la composition chimique des objets astrono- miques. L’universalité avait une autre conséquence qui était que l’Univers avait une histoire. Au XIXe siècle les philosophes et les scientifiques concevaient l’Univers comme parfaitement stable, sans transformation notable et sans origine, ce qui était déjà l’opinion de Platon. Le cycle continu des saisons et des phénomènes astronomiques plaidait en faveur d’une telle conception. Mais en 1916, Einstein, après plusieurs an- nées de travail acharné, publiait la théorie de la relativité gé- nérale qui changeait radicalement la vision newtonienne qui prévalait jusque-là. Dès cette époque, les théoriciens se sont mis à concevoir des modèles théoriques d’Univers. En 1924, une propriété fondamentale de l’Univers était découverte : les observations montraient que les étoiles et les galaxies étaient affectées d’une vitesse d’éloignement d’autant plus élevée que les objets étaient lointains. L’astronome Edwin Hubble établissait alors une loi expérimentale qui porte son nom, rendant compte de ce phénomène qui apparaissait comme la conséquence d’une expansion de l’Univers. Le- maitre proposa en 1930 une famille de modèles qui don- nèrent une assise théorique à la loi empirique de Hubble. L’Univers étant en expansion, il avait donc une histoire et les cosmologistes recherchèrent alors son origine. Les mo- dèles théoriques permirent d’obtenir des estimations de l’âge de l’Univers et d’une origine bientôt appelée Big Bang. Ce terme « gros boum » a été utilisé de manière ironique par Fred Hoyle qui était opposé à ce modèle, mais est finalement resté en usage. Les modèles décrivaient le début de l’Univers par une singularité caractérisée formellement par des infinis dont la signification physique était impossible à déterminer. En travaillant à sa thèse sur les singularités, Stephen Hawking s’intéressa bien évidemment au Big Bang. Les trous noirs Pierre Simon de Laplace, contrairement à Newton, ne pensait pas que les forces gravitationnelles étaient instan- tanées et que les particules de lumière étaient insensibles à la gravité. Laplace et un ecclésiastique anglais, John Michell, tous deux intéressés par l’astronomie, se demandaient si une étoile suffisamment grosse pourrait emprisonner la lumière. A cette époque, au début du XIXe , on connaissait la vitesse de la lumière et la vitesse de libération de la Terre qui permet- trait à un objet de s’affranchir de l’attraction terrestre. Ainsi de manière prophétique, Michell et Laplace ont conceptuelle- ment inventé les trous noirs. Au XXe siècle, les astronomes ont dressé le portrait théo- rique des étoiles, à la fois par les observations de plus en plus précises et par les modèles théoriques fournis par la phy- sique. Ils déterminaient des classes d’étoiles comparées au Soleil par leur masse et prévoyaient leur évolution ultime, se- lon les cas, en géante rouge, naine blanche, étoile à neutrons ou trou noir. Ces derniers resteront cependant très longtemps hypothétiques bien que leur théorie datât de 1916. C’est en effet fin 1915, après la parution des premiers articles de la ACTUALITÉS Disparition de Stephen Hawking, l’explorateur des trous noirs 34 ZREE N°2/2018 relativité générale d’Einstein, qu’un astrophysicien allemand, Karl Schwarzschild, communiqua à Einstein une solution des équations de la relativité qui décrivait le champ gravitationnel d’une masse sphérique entouré de vide. L’intérêt de la géo- métrie d’espace-temps de Schwarzschild était qu’elle décri- vait parfaitement le champ dans le système solaire et avait une propriété fondamentale ne dépendant pas de l’astre considéré, elle pouvait s’appliquer à des étoiles plus massives que le soleil ou au contraire plus petites. Cette géométrie avait un paramètre caractéristique, appelé rayon de Schwar- zschild, qui déterminait la taille critique d’un astre en dessous de laquelle la vitesse de libération excédait la vitesse de la lumière. L’astrophysicien allemand, qui devait disparaitre peu de temps après, avait ainsi découvert le modèle théorique des trous noirs. Mais au début du XXe siècle, les trous noirs, bien que définis théoriquement, demeuraient hypothétiques aux yeux des astrophysiciens, d’autant que par principe on ne pouvait les voir. D’autres difficultés surgissaient, qui étaient d’ordre mathématique, à cause des singularités impossibles à surmonter. Renouveau de la relativité générale Dans les années 60, pendant lesquelles Stephen Hawking faisait ses études, les physiciens cherchaient à unifier les forces fondamentales dans un modèle unique. Jusque-là la plupart des physiciens acceptaient la relativité restreinte et la physique quantique car ces deux théories décrivaient des phénomènes observables. En revanche, la relativité gé- nérale était peu étudiée car elle semblait d’une très grande complexité mathématique et ne pouvait donner lieu à des vérifications en laboratoire. L’œuvre d’Einstein apparaissait comme une théorie classique incompatible avec la physique quantique. A partir des années 60, le développement considérable de l’observation astronomique redonna de l’intérêt à la re- lativité générale. Ce n’est pas par hasard que la théorie des quasars, des pulsars et des sources de rayons X date de cette époque car ces objets ne pouvaient être étudiés que dans le cadre de la relativité générale. Certaines étoiles semblaient ainsi évoluer vers des états gravitationnels de densité consi- dérable qui rappelait les modèles théoriques des trous noirs. Le premier résultat de Stephen Hawking, conséquence directe de sa thèse, fut de montrer avec Roger Penrose son directeur d’étude, que la singularité était partie intégrante de la relativi- té générale et que par extrapolation dans le passé, l’Univers avait commencé par une singularité. Stephen Hawking, après sa thèse, était en plein dans son sujet en s’attaquant à la phy- sique des trous noirs et leur relation avec les lois de la ther- modynamique. Thermodynamique et trous noirs La notion d’entropie a été proposée dans les années 1860 par Clausius pour rendre compte de manière formelle de l’ir- réversibilité constatée dans les phénomènes dans lesquels la chaleur intervenait. Dans les transformations thermodyna- miques d’un système réel non idéal, l’entropie ne pouvait pas diminuer et cela donnait un sens aux idées de Sadi Carnot et du deuxième principe de la thermodynamique. Quelques années après à l’approche du XXe siècle, Ludwig Boltzmann, à partir de l’hypothèse atomique de constitution des gaz et de la matière, proposa une définition statistique de l’entropie. Elle devenait alors une mesure du nombre d’arrangements d’un système par rapport à un critère identifiable. L’habitude aujourd’hui est ainsi d’identifier l’entropie au désordre, ce qui est vrai si on a précisé le critère d’ordre. Le XXe siècle appro- fondit la notion d’entropie et en particulier Claude Shannon, avec la théorie de l’information en 1948, souligna la relation entre l’information et l’entropie qui fut formalisée par Léon Brillouin en 1954 avec la notion de néguentropie, identifiée à l’information. Trous noirs et entropie En 1970, la première contribution de Stephen Hawking fut de montrer que la surface de l’horizon d’un trou noir ne peut que croître et il fut frappé par l’analogie avec la croissance de l’entropie. La similitude des équations de la géométrie de l’espace-temps avec celles de la thermodynamique était surprenante mais il n’alla pas immédiatement jusqu’au bout de cette voie. La même année, un jeune chercheur de Princeton, Jacob Bekenstein, élève de John Wheeler, inventeur du terme de Figure 1 : Stephen Hawking à l’époque de ses études à Cambridge. Source : https://usefulstooges.files.wordpress.com/2018/03/hawk.jpg. ACTUALITÉS REE N°2/2018 Z 35 trou noir, réfléchissait à leur physique en imaginant à la ma- nière d’Einstein des expériences de pensée. Il imagina des expériences montrant que les trous noirs devaient nécessai- rement posséder une entropie. Il s’est demandé quel chan- gement interviendrait pour le trou noir si on y envoyait un bit d’information. A l’aide de la mécanique quantique et de la ther- modynamique, il arriva à la conclusion qu’un bit d’information ajouté à un trou noir augmente l’aire de son horizon d’une unité d’aire de Planck ce qui impliquait que l’entropie d’un trou noir était proportionnelle à l’aire de son horizon. Cela impli- quait également qu’un trou noir avait une température. Le rayonnement de Hawking En 1974, Stephen Hawking ne prit pas le travail de Bekenstein au sérieux mais il fut intrigué et après un voyage à Moscou au cours duquel il rencontra deux physiciens russes qui travaillaient sur les trous noirs, il se lança à son retour à Cambridge, dans ses propres calculs. Quelque temps après, il découvrit que les trous noirs, contrairement ce qu’on croyait jusque-là, émettait un rayonnement comme un corps noir à une température donnée. Mais ce rayonnement ne pouvait pas s’expliquer sans faire appel aux propriétés quantiques. Il expliqua qu’en permanence des paires de particules/an- tiparticules se font et se défont (c’est ce qu’on appelle les fluctuations quantiques du vide) mais qu’à la périphérie d’un trou noir, c’est à dire à son horizon, l’une des particules peut rester emprisonnée dans le trou noir alors que l’autre peut s’échapper à l’infini et apparaître comme un rayonnement du trou noir (figure 4). Ce rayonnement a été appelé rayon- nement de Hawking et la théorie prévoyait en conséquence que le trou noir devait finalement s’évaporer au bout d’un temps fonction de la taille du trou noir. L’évaporation est d’au- tant plus intense que le trou noir est petit et, si un trou noir semblable à celui situé au centre de notre galaxie s’évapore en un temps infiniment long (les calculs donnent 1 057 fois l’âge de l’Univers), les trous noirs les plus légers sont censés disparaître en moins de quelques nanosecondes [4]. Avec cette découverte Stephen Hawking inaugurait la phy- sique des trous noirs d’autant plus qu’en 1971, les astrophysi- ciens avaient formellement identifié un candidat trou noir avec la source de rayon X Cygnus X-1 de la constellation du cygne. Figure 2 : Image illustrant l’idée de Bekenstein de bits d’information à l’horizon d’un trou noir – Source : http://www.astrosurf.com/ luxorion/trou-noir-information.htm et Scientific American (2007). Figure 3 : Vue d’artiste du système associé à la source de rayon X Cygnus X-1. L’énorme masse du trou noir aspire la matière de l’étoile bleue. Si la géante bleue à droite était un ballon de football, le trou noir présumé serait un grain de sable – Source : Chandra X-Ray Observatory http://chan- dra.harvard.edu/photo/2011/cygx1/ . ACTUALITÉS 36 ZREE N°2/2018 Figure 4 : Le rayonnement de particules prédit par Hawking est dû à la présence d’un horizon. Des paires de particules générées aléatoirement peuvent se retrouver séparées par l’horizon au lieu de s’annihiler rapidement. La particule piégée disparaît dans le trou noir tandis que la particule libre s’échappe – Source : Daniel Suchet – L’actu des sciences (2013). Le trou noir Cygnus X-1 Découverte en 1965, cette source montrait des variations rapides de la puissance du rayonnement X qui fut localisé par la radioastronomie, dans ce cas particulier plus précise que la détection des rayons X. Le rayonnement coïncidait avec une géante bleue, connue depuis longtemps, nomenclaturée HDE 226868, évoluant à une distance de 6 000 années- lumière de la Terre et de masse comprise en 25 et 50 masses solaires. Cette étoile était en rotation autour d’un objet com- pact en 5,6 jours. La source de rayonnement X très puis- sante était provoquée par l’extraction de matière de l’étoile par un objet impossible à visualiser (figure 3). Les calculs théoriques de ce compagnon amenèrent les astronomes à calculer sa masse estimée supérieure à sept masses solaires supérieures à la masse critique d’une étoile à neutrons. Il s’agissait donc probablement de la première mise en évi- dence d’un trou noir. Cela occasionna un trait d’humour de Stephen Hawking qui avait parié avec l’un de ses collègues que Cygnus X-1 n’était pas un trou noir, faisant remarquer qu’ayant passé beaucoup de temps sur leur théorie, il n’aurait pas tout perdu si Cygnus X-1 n’en était pas un. La question de l’information La synthèse de Stephen Hawking dans la théorie des trous noirs était l’une des premières tentatives de combiner les théories de la relativité générale et de la physique quantique et il y était partiellement arrivé sachant que l’unification n’est toujours pas réalisée aujourd’hui. La théorie des trous noirs allait elle-même conduire à d’intenses discussions entre les physiciens sur les aspects thermodynamiques. Les intuitions qui avaient amené Hawking à postuler l’existence de son rayonnement avaient pour origine des considérations sur l’entropie/information. Il avait d’abord pensé que les trous noirs ne pouvaient pas rayonner mais, en faisant les calculs, il avait démontré le contraire. Il avait également d’abord pensé que rayonnement ne contenait aucune information et que toute l’information du trou noir serait perdue dans son évapo- ration ce qui posait un problème aux principes de la physique quantique sur le principe de la conservation de l’information. Ce problème donna lieu à un intense débat entre physiciens [3] qui dura des dizaines d’années et en 2004, Stephen Hawking annonça au cours d’une conférence de presse qu’il avait changé d’avis et que finalement ses plus récents calculs montraient que l’information subsistait dans le rayonnement issu du trou noir. Il continua jusqu’à la fin à travailler sur les aspects théoriques des trous noirs et du Big Bang. Conclusion Le rayonnement des trous noirs reste la contribution ma- jeure de Stephen Hawking à la science. Ses travaux ont entraî- né un grand nombre de spéculations théoriques sur l’origine et le devenir de l’Univers tout comme les notions d’Univers multiples ou encore les trous de ver permettant de voyager d’un trou noir vers un trou blanc. Sa maladie a fait de lui une icône aux yeux du grand public pour des raisons indépen- dantes de ses travaux mais grâce à cette couverture média- tique et à ses ouvrages de vulgarisation, il aura fait connaître à un grand nombre de personnes les développements de la cosmologie, en particulier la physique des trous noir et du Big Bang. Sa notoriété dans les dernières années de sa vie l’avait conduit à exprimer des craintes sur l’intelligence artificielle dont il pensait qu’elle pourrait conduire à des dérives dange- reuses pour l’Homme. L’une de ses dernières actions d’éclat, en 2016, a été, avec le milliardaire russe Youri Milner, le projet ACTUALITÉS REE N°2/2018 Z 37 d’envoyer des sondes pour un voyage interstellaire vers Alpha du Centaure, le système le plus proche du système solaire à quatre années-lumière. Aujourd’hui, l’existence des trous noirs qui étaient initialement des spéculations théoriques, semble avec l’astronomie gravitationnelle et les dernières dé- couvertes astronomiques ne plus faire de doute. Sa maladie a finalement eu le dessus mais n’a rien empêché. Léonard Susskind racontait ainsi sa rencontre avec Stephen Hawking : « Bien qu’incapable d’écrire des équations et à peine capable de communiquer, Stephen tenait tête à la maladie tout en faisant jaillir des idées étincelantes. Le pronostic était sombre. La maladie de Charcot est une tueuse brutale et Stephen devait au dire de tous mourir dans les deux ans. En attendant il s’amusait comme un fou, révolutionnant la phy- sique joyeusement ». Q Marc Leconte Bibliographie [1 Hawking, Stephen. Une brève histoire du temps. Du big bang aux trous noirs. Flammarion, 2017. [2] Luminet, J. P. (1987). Les trous noirs. Belfond. [3] Susskind, L. (2010). Trous noirs: la guerre des savants. R. Laffont. [4] Suchet Daniel (2013). L’actu des sciences (septembre 2013) http://www.actusf.com/spip/L-actu-des-sciences- Septembre-2013.html ACTUALITÉS