Le prix Nobel de physique de cette année a été attribué à trois scientifiques pour leurs travaux sur les trous noirs. Le cosmologiste britannique Roger Penrose recevra la moitié du prix, l’autre moitié étant partagée entre l’astrophysicien allemand Reinhard Genzel et l’astrophysicienne américaine Andrea Ghez. Ghez est seulement la quatrième femme de l’histoire à recevoir le vénérable prix de physique.
« Le prix de cette année concerne les secrets les plus sombres de l’univers », a déclaré Göran K. Hansson, secrétaire général de l’Académie royale des sciences de Suède, lors d’un événement de presse. L’académie a récompensé Penrose pour sa « découverte que la formation des trous noirs est une prédiction robuste de la théorie générale de la relativité », a ajouté Hansson, tandis que Ghez et Genzel ont été récompensés « pour la découverte d’un objet compact supermassif au centre de notre galaxie ».
Les trous noirs sont des régions de l’espace dans lesquelles la force de gravité est si forte que même la lumière ne peut s’en échapper. Pour en créer un, a déclaré Ulf Danielsson, physicien membre du comité Nobel de physique, lors de l’événement, « il faudrait comprimer le soleil dans une région de quelques kilomètres de diamètre seulement – ou réduire la Terre à la taille d’un petit pois ». Au cœur de chaque trou noir se trouverait une « singularité », un point où la gravité comprime la matière jusqu’à une densité infinie, entourée d’un « horizon des événements » au-delà duquel tout ce qui tombe dedans ne peut retourner dans l’univers extérieur plus vaste. Bien que les scientifiques aient spéculé sur leur existence pendant des siècles, il n’était pas certain que des objets aussi extrêmes puissent exister dans la réalité. Même Albert Einstein – dont la théorie générale de la relativité constitue la base moderne de la compréhension des trous noirs – doutait de leur existence.
Mais en 1965, Penrose, un physicien qui a travaillé avec Stephen Hawking et qui est maintenant professeur émérite à l’Université d’Oxford, a mathématiquement « montré que les trous noirs pouvaient réellement exister, se formant selon un processus stable et robuste » compatible avec les théories d’Einstein, a déclaré aux journalistes David Haviland, physicien à l’Institut royal de technologie KTH en Suède et président du comité du prix de physique.
« Penrose et Hawking ont prouvé que, pour les étoiles d’un certain type, les trous noirs sont un résultat à peu près inévitable de l’effondrement stellaire », a déclaré Sabine Hossenfelder, physicienne théorique à l’Institut d’études avancées de Francfort, en Allemagne. « Avant ces travaux révolutionnaires, la plupart des physiciens pensaient que les trous noirs n’étaient que des curiosités mathématiques apparaissant dans la relativité générale, mais qu’ils n’existeraient pas dans la réalité. Au lieu de cela, il s’est avéré que les trous noirs sont difficiles à éviter dans l’effondrement stellaire et que l’univers devrait en être rempli….. L’histoire de la découverte des trous noirs démontre de manière éclatante la puissance des mathématiques pures dans la quête de la compréhension de la nature. »
Les travaux de Penrose sur les trous noirs ne se sont pas arrêtés à prouver leur possibilité dans le cadre de la relativité générale, note Avi Loeb, astrophysicien à l’université Harvard et directeur de son initiative sur les trous noirs. Penrose a également montré comment extraire l’énergie des trous noirs en rotation – le processus dit de Penrose, qui pourrait jouer un rôle important dans l’alimentation des quasars, ces objets ultralumineux liés à des trous noirs voraces situés au cœur d’anciennes galaxies lointaines. Et l' »hypothèse de la censure cosmique » de Penrose, dit Loeb, « sauve notre capacité à prédire l’avenir dans tout l’univers de la pathologie des singularités associées aux trous noirs, où la théorie d’Einstein s’effondre….. Comme à Las Vegas, « tout ce qui se passe à l’intérieur de l’horizon des événements, reste à l’intérieur de l’horizon des événements ».
Alors que Penrose, Hawking et d’autres théoriciens codifiaient les fondements physiques des trous noirs, les astronomes observateurs recherchaient et étudiaient ces objets exotiques de manière toujours plus détaillée.
Une découverte révolutionnaire a commencé à émerger dans les années 1990. Genzel – directeur de l’astronomie infrarouge à l’Institut Max Planck de physique extraterrestre de Garching, en Allemagne – et Ghez – professeur à l’Université de Californie, à Los Angeles – étaient chacun à la tête d’une équipe de recherche indépendante utilisant de puissants télescopes infrarouges dotés d’optiques adaptatives pour scruter le cœur de la Voie lactée, enveloppé de poussière. Là, les deux équipes ont observé des étoiles grouillant autour d’une mystérieuse source centrale sombre, un objet invisible qui, selon le mouvement des étoiles, devait contenir la masse de quatre millions de soleils. « Il n’y a pas d’autre explication qu’un trou noir supermassif », a déclaré Danielsson.
Des observations ultérieures, principalement celles du télescope spatial Hubble, ont révélé que de tels trous noirs à grande échelle se cachent au centre de presque toutes les grandes galaxies de l’univers observable. Cette observation laisse entendre que ces objets, loin d’être de simples arcanes astrophysiques, sont peut-être les éléments constitutifs les plus cruciaux de l’univers pour les structures cosmiques à grande échelle.
« La science est si importante, et présenter la réalité de notre monde physique est essentiel pour nous en tant qu’êtres humains », a déclaré Mme Ghez dans une interview avec des journalistes après avoir appris son prix. « Nous n’avons aucune idée de ce qu’il y a à l’intérieur des trous noirs….. Ils représentent vraiment l’effondrement de notre compréhension des lois de la physique. C’est ce qui fait partie de l’intrigue : nous ne savons toujours pas. »
Les équipes de Genzel et de Ghez continuent de faire de nouvelles découvertes sur le trou noir supermassif central de la Voie lactée, surnommé Sagittarius A*, comme les nœuds de gaz surchauffés qui s’enflamment en spirale vers le néant. De nouvelles installations, dont l’observatoire d’ondes gravitationnelles LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) et l’interféromètre Virgo, étudient les paires de trous noirs en fusion en détectant leurs émissions d’ondulations dans l’espace-temps appelées ondes gravitationnelles. Et les observations radio en cours de Sagittarius A*, ainsi que de telles investigations d’un autre objet supermassif dans la galaxie voisine M87 réalisées par le télescope Event Horizon (EHT), qui couvre le globe, génèrent des images rapprochées révolutionnaires de ces monstres cosmiques.
« Toutes ces techniques révolutionnaires nous rapprochent plus que jamais de la limite de l’inconnu, offrant de nouvelles façons d’étudier les objets les plus mystérieux du cosmos et de tester nos théories les plus fondamentales », déclare Sheperd Doeleman, directeur fondateur de l’EHT. « Les résultats de ces dernières années nous ont permis de poser des questions que nous n’aurions jamais pu formuler auparavant. Mais plus important encore, ils nous permettent de rêver grand. Les travaux célébrés aujourd’hui par les prix Nobel sont transformateurs, et l’avenir des trous noirs, comme on dit, est radieux ! »
« Il ne s’agit pas simplement d’une vieille aventure qui arrive à sa conclusion triomphante », a déclaré Danielsson. « C’est une nouvelle qui commence. Alors que nous sondons toujours plus près de l’horizon des trous noirs, la nature pourrait nous réserver de nouvelles surprises. »