Les trous noirs au centre du prix Nobel de physique 2020 – un astrophysicien explique pourquoi c’est un gros problème
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Les trous noirs sont peut-être les objets les plus mystérieux de la nature. Ils déforment l’espace et le temps de manière extrême et contiennent une impossibilité mathématique, une singularité – un objet infiniment chaud et dense à l’intérieur. Mais si les trous noirs existent et sont vraiment noirs, comment pourrions-nous exactement faire une observation?
Ce matin, le Comité Nobel a annoncé que le Prix Nobel de physique 2020 sera décerné à trois scientifiques – Sir Roger Penrose, Reinhard Genzel et Andrea Ghez – qui a aidé à découvrir les réponses à des questions aussi profondes. Andrea Ghez n’est que la quatrième femme à remporter le prix Nobel de physique.
Robert Penrose est un physicien théoricien qui travaille sur les trous noirs, et son travail a influencé non seulement moi, mais toute ma génération à travers son série de livres populaires qui sont chargés de ses magnifiques illustrations dessinées à la main de concepts physiques profonds.
En tant qu’étudiant diplômé dans les années 1990 à Penn State, où Penrose occupe un poste de visiteur, j’ai eu de nombreuses occasions d’interagir avec lui. Pendant de nombreuses années, j’ai été intimidé par ce géant dans mon domaine, ne faisant que voler des aperçus de lui travaillant dans son bureau, dessinant d’étranges dessins scientifiques sur son tableau noir. Plus tard, quand j’ai enfin eu le courage de parler avec lui, je me suis vite rendu compte qu’il faisait partie des personnes les plus accessibles.
Les étoiles mourantes forment des trous noirs
Sir Roger Penrose remporta la moitié du prix pour son travail fondateur en 1965 qui prouva, à l’aide d’une série d’arguments mathématiques, que dans des conditions très générales, l’effondrement de la matière déclencherait la formation d’un trou noir.
Ce résultat rigoureux a ouvert la possibilité que le processus astrophysique d’effondrement gravitationnel, qui se produit lorsqu’une étoile manque de son combustible nucléaire, conduise à la formation de trous noirs dans la nature. Il a également pu montrer qu’au cœur d’un trou noir doit se trouver une singularité physique – un objet à densité infinie, où les lois de la physique s’effondrent tout simplement. À la singularité, nos conceptions mêmes de l’espace, du temps et de la matière s’effondrent et la résolution de ce problème est peut-être le plus grand problème ouvert de la physique théorique aujourd’hui.
Penrose inventé de nouveaux concepts et techniques mathématiques tout en développant cette preuve. Ces équations que Penrose a dérivées en 1965 ont été utilisées par les physiciens qui étudient les trous noirs depuis. En fait, à peine quelques années plus tard, Stephen Hawking, aux côtés de Penrose, a utilisé les mêmes outils mathématiques pour prouver que le modèle cosmologique du Big Bang – notre meilleur modèle actuel de la création de l’univers entier – avait une singularité au tout début. . Ce sont les résultats du célèbre Penrose-Hawking Théorème de singularité.
Le fait que les mathématiques aient démontré que les trous noirs astrophysiques peuvent exister exactement dans la nature est exactement ce qui a stimulé la quête pour les rechercher à l’aide de techniques astronomiques. En effet, depuis les travaux de Penrose dans les années 1960, de nombreux trous noirs ont été identifiés.
Les trous noirs jouent au yo-yo avec des étoiles
La moitié restante du prix a été partagée entre les astronomes Reinhard Genzel et Andrea Ghez, qui dirigent chacun une équipe qui a découvert la présence d’un trou noir supermassif, 4 millions de fois plus massif que le Soleil, à la centre de notre galaxie Voie lactée.
Genzel est astrophysicien au Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Allemagne et à l’Université de Californie à Berkeley. Ghez est astronome à l’Université de Californie à Los Angeles.
Genzhel et Ghez ont utilisé les plus grands télescopes du monde (l’observatoire Keck et le très grand télescope) et ont étudié le mouvement des étoiles dans une région appelée Sagittaire A * au centre de notre galaxie. Ils ont tous deux découvert indépendamment qu’un objet invisible extrêmement massif – 4 millions de fois plus massif que notre Soleil – attirait ces étoiles, les faisant bouger de manière très inhabituelle. Ceci est considéré comme la preuve la plus convaincante d’un trou noir au centre de notre galaxie.
Ce prix Nobel 2020, qui fait suite au prix Nobel 2017 pour la découverte des ondes gravitationnelles des trous noirs, et d’autres découvertes récentes étonnantes dans le domaine – comme l’image 2019 d’un horizon de trou noir par le télescope Event Horizon – servir de grande reconnaissance et d’inspiration pour toute l’humanité, en particulier pour ceux d’entre nous dans la communauté de la relativité et de la gravitation qui suivons les traces d’Albert Einstein lui-même.
Cet article est republié à partir de La conversation par Gaurav Khanna, Professeur de physique, Université du Massachusetts Dartmouth sous une licence Creative Commons. Lis le article original.
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