Ce que nous réserve la science des trous noirs : le prix Nobel de physique Kip Thorne répond

Kip Thorne, prix Nobel de physique 2017. © J.-L. Dauvergne/C&E
Le physicien américain Kip Thorne se passionne pour les trous noirs. Ses travaux ont permis la première détection des ondes gravitationnelles issues de la collision de ces astres étranges. Pour « Ciel & espace », il examine les avancées récentes réalisées à leur sujet.

Très médiatique, le physicien américain Kip Thorne est aussi très sollicité. Si bien qu’il refuse les demandes d’interview. Le grand public l’a découvert en 2014 grâce au film Interstellar, dont il a aidé à modéliser le trou noir Gargantua. La véritable consécration a eu lieu en 2017 avec le Nobel de physique, pour la détection des ondes gravitationnelles. Tout comme Ciel & espace, il était à l’observatoire du cerro Tololo le 2 juillet 2019 au Chili pour admirer l’éclipse de Soleil. C’est ainsi que nous avons eu la chance de recueillir son regard sur les progrès récents dans l’étude des trous noirs.

Ciel & espace : La première photo d’un trou noir, niché au cœur de la galaxie M87, a été obtenue par l’Event Horizon Telescope (EHT). Quelle a été votre impression lorsque cette image a été rendue publique début 2019 ?

Kip Thorne : C’était merveilleux de voir ça. L’image nous montre un trou noir calme, non excité. On sait que le bord lumineux que l’on voit est le long de l’équateur du trou noir. Il a été possible de le déduire à partir du mouvement de rotation de l’objet. On observe par ailleurs des jets qui sortent de M87 issus de ce trou noir. Ces jets sont créés par la rotation du trou noir. L’ensemble de ces données nous apportent de nouvelles preuves sur la nature de ces objets.

Le premier trou noir photographié est celui qui niche au cœur de la galaxie M87. © EHT Collaboration

Le trou noir de M87 ne montre pas de barre centrale comme celui d’Interstellar. Est-ce que la représentation dans le film est fidèle ?

Kip Thorne : Tout à fait, car les images dans Interstellar ont été obtenues en résolvant les équations d’Einstein. Elles montrent la propagation de la lumière depuis un disque fin situé autour d’un trou noir. Donc, tout ce que l’on voit à quelques détails près est en effet conforme à ce que prévoit la théorie. C’est vrai que, depuis Interstellar en particulier, on a l’habitude de voir un trou noir représenté avec une barre. Mais cet aspect été déjà connu avant. Il a été découvert dans les années 1970 à partir de calculs théoriques par Jean-Pierre Luminet.

En effet, on peut se demander pourquoi on ne voit pas la même chose sur l’image obtenue par l’Event Horizon Telescope. En fait, si on prend l’image d’un trou noir de Luminet ou celle d’Interstellar, en regardant par les pôles on voit quelque chose de très similaire.

Image d’un trou noir modélisée par Jean-Pierre Luminet. © J.-P. Luminet
Le film Interstellar et son trou noir géant, Gargantua. © Paramount Pictures

À présent qu’il est possible de photographier les trous noirs, quelle est la prochaine étape selon vous ?

Kip Thorne : Le résultat obtenu avec l’Event Horizon Telescope est déjà excellent. On peut espérer que le bruit des détecteurs diminue. Mais ce qui me rend le plus enthousiaste, c’est qu’il est encore possible d’améliorer la résolution en observant dans des longueurs d’onde plus courtes. Il faut donc s’attendre à ce qu’à l’avenir, de meilleures images soient produites. On sait par ailleurs que le temps de traitement des données de l’Event Horizon Telescope a été très long. Du coup, les chercheurs sont en train d’améliorer leur technique pour accélérer ce processus. Avec ces données futures, je serai très intéressé de voir la dynamique du gaz et du champ magnétique autour des trous noirs. C’est une perspective vraiment excitante.

En tant que spécialiste de ces astres étranges, aviez-vous imaginé qu’il soit un jour possible d’obtenir une image telle que celle produite par l’EHT ?

Kip Thorne : Pas du tout. Ce n’est qu’une fois que j’ai pris connaissance de ce projet, que j’ai compris qu’une telle image était peut-être réalisable. Ce qu’ils ont fait est vraiment remarquable. De mon côté, j’étais surtout focalisé sur les ondes gravitationnelles. Cette méthode nous permet d’étudier les perturbations des trous noirs sur l’espace-temps comme on étudierait l’effet d’une tempête sur l’océan.

Vous avez d’ailleurs obtenu le Nobel de physique pour avoir grandement contribué à la détection de ces ondes gravitationnelles. Pour y parvenir, il fallait déceler une déformation du détecteur 100 fois plus petite qu’un proton. Le défi technique était immense. Vous semblait-il possible de le relever il y a seulement 10 ans ?

Kip Thorne : Tout à fait, et c’est la raison pour laquelle je me suis impliqué dans ce projet. J’étais confiant sur le fait que nous parviendrons un jour à capter ces vibrations de l’espace-temps. Tout d’abord, nous ne savions pas combien de temps il nous faudrait pour construire le détecteur et avoir le budget. Mais au milieu des années 2000, les choses se sont précisées, et j’avais acquis la conviction que l’on parviendrait à détecter ces ondes vers 2017. Finalement, nous les avons vues dès 2015.

Kip Thorne, à l’observatoire du cerro Tololo, pour l’éclipse du 2 juillet 2019. © J.-L. Dauvergne/C&E

Avec ces nouvelles techniques, qu’est-ce que l’on apprend sur les trous noirs ?

Kip Thorne : La technique d’imagerie de l’Event Horizon Telescope nous révèle des choses sur l’environnement des trous noirs. On voit comment le gaz chaud se comporte à proximité. Ce qui est compliqué, c’est que le trou noir tourne sur lui-même. Il crée ce que j’aime appeler un vortex qui tord l’espace-temps très rapidement, et de moins en moins fort à mesure que l’on s’éloigne de l’objet. Ces déformations provoquent des effets peu intuitifs : une personne dans cette zone verrait ses pieds tourner en sens inverse de sa tête, par exemple. Cette déformation de l’espace interagit avec le champ magnétique et produit de très forts champs électriques. C’est de cette façon que sont créés les plus puissants jets de matière connus dans l’Univers. Nous allons pouvoir mieux comprendre ces phénomènes et comparer ces données à ce que prévoit la théorie.

Les observations réalisées avec les détecteurs d’ondes gravitationnelles sont complémentaires. Nous pouvons observer des trous noirs lorsqu’ils sont fortement excités. Ils interagissent violemment entre eux et parfois même entrent en collision. Je disais que c’est comme l’effet d’une tempête à la surface de l’océan, mais en fait c’est bien plus riche, car il y a de nombreux phénomènes associés, dont certains que nous n’avons pas encore compris. On a ainsi une observation réelle de la façon dont se comporte l’espace-temps au cœur de ces tempêtes. Pour la toute première fois, nous pouvons faire des simulations sur des supercalculateurs pour tenter de comprendre ces phénomènes et comparer les résultats à ce que l’on observe.

Est-ce que ces techniques ont une chance de nous aider à mieux comprendre la physique étrange à l’intérieur des trous noirs ?

Kip Thorne : J’aimerais beaucoup pouvoir vous répondre oui, mais j’ai bien peur que non. Elles nous apprennent surtout des choses sur ce qui se passe à l’extérieur.

Recevez Ciel & Espace pour moins de 6€/mois

Et beaucoup d'autres avantages avec l'offre numérique.

Voir les offres

Nous avons sélectionné pour vous