Trou noir et scientifiques indiens

Les travaux du lauréat du prix Nobel de physique Roger Penrose sur le trou noir s'appuient sur les travaux des scientifiques avant lui. Parmi eux de nombreux Indiens.

trou noir, trou noir des scientifiques, scientifiques indiens nasa, découverte du trou noir des scientifiques indiens, dernières nouvelles, express indienL'histoire moderne commence avec Subrahmanyan Chandrasekhar qui, en 1930, fit la découverte surprenante qu'il existe une masse maximale qu'une naine blanche peut avoir. C'est environ 1,4 fois la masse de notre soleil. (Source : Observatoire de rayons X Chandra)

Par Naresh Dadhich et Ajit Kembhavi

Le grand physicien anglais Sir Isaac Newton avait dit : « Si j'ai vu plus loin que les autres, c'est en me tenant debout sur les épaules de géants. C'est vrai en général en science. Aucune découverte ne se fait sans que l'on se dresse sur des épaules, basses ou hautes.

Cherchons les épaules possibles sur lesquelles Roger Penrose pourrait se tenir, tout en considérant la formation de trous noirs comme l'état final inévitable d'une étoile de grande masse dans la théorie de la gravitation d'Albert Einstein, également connue sous le nom de théorie de la relativité générale. Les travaux de Penrose font actuellement la une des journaux car ils lui ont valu le prix Nobel de physique de cette année. Il a partagé le prix avec deux autres astronomes pour leur travail indépendant sur la détection de très grandes masses que l'on pense être un trou noir au centre de notre propre galaxie de la Voie lactée.



Le premier lien indien avec le terme trou noir est un incident tristement célèbre survenu en 1756, lorsque le Nawab Siraj-ud-Daulah a pressé 146 soldats britanniques dans un donjon à Fort William, connu sous le nom de trou noir de Kolkata. (Le bureau de poste général de Calcutta se trouve actuellement sur ce site. Pas étonnant, les habitants de Calcutta se plaignent qu'aucune lettre ne sort du site !)

Il est intéressant de noter que la première conception d'un trou noir en tant que possibilité scientifique devait suivre très bientôt. En 1784, l'ecclésiastique et scientifique britannique John Michell et, deux ans plus tard, le grand mathématicien français Pierre Simon Laplace ont soutenu que si un objet est très massif et dense, sa gravité peut être si forte que même la lumière ne peut pas s'en échapper. Un tel objet, s'il existe, serait tout noir et invisible — un trou noir !

L'histoire moderne commence avec Subrahmanyan Chandrasekhar qui, après son BSc à Madras, part pour Cambridge, en Angleterre, en 1930 pour des études supérieures. Lors de son voyage à Cambridge, il fit des calculs intéressants sur des naines blanches. On croyait jusqu'alors que toutes les étoiles finiraient leur vie en devenant une naine blanche. C'est un objet très énigmatique, qui s'appuie contre la force de gravité à cause de la pression exercée par les électrons. Dans son enquête mathématique sur de tels objets, le jeune Chandrasekhar a combiné la théorie de la relativité d'Albert Einstein et la nouvelle théorie de la mécanique quantique. Il a fait la découverte surprenante qu'il existe une masse maximale qu'une naine blanche peut avoir. C'est environ 1,4 fois la masse de notre soleil. Une naine blanche avec une masse supérieure à cette valeur, maintenant appelée la limite de Chandrasekhar, doit nécessairement s'effondrer. Ce fut une découverte très importante. C'est une autre affaire que Sir Arthur Eddington, sans doute l'astrophysicien le plus influent et le plus créatif de l'époque, n'a pas accepté la découverte monumentale de Chandrasekhar et l'a critiquée d'une manière plutôt non scientifique. Ce dernier a eu le dernier mot lorsqu'il a reçu le prix Nobel pour ses travaux sur les naines blanches en 1983.

Que se passe-t-il lorsqu'une étoile ne peut pas finir sa vie de naine blanche parce qu'elle est trop massive ? Il s'avère que lorsqu'une étoile poursuit son effondrement, elle finit par devenir si dense que presque toute la matière qu'elle contient est convertie en particules nucléaires appelées neutrons. Ces neutrons peuvent, comme les électrons des naines blanches, exercer une pression pour contrer l'effondrement, conduisant à la formation d'un objet stable appelé étoile à neutrons. Un tel objet est si dense que juste une cuillerée de sa matière pèserait le même poids que toute l'humanité. Même un tel objet a une masse limite d'environ trois fois la masse du Soleil.

Si une étoile à neutrons est plus massive que cette limite, elle doit s'effondrer indéfiniment car il n'y a aucune source de pression disponible dans la théorie actuelle pour y résister. Il s'effondre jusqu'à une taille nulle et une densité infiniment grande - une singularité. Avant même que l'objet n'atteigne ce stade, il devient si compact que la lumière ne peut plus s'en échapper : un trou noir se forme ! Ce résultat est basé sur la théorie de la relativité générale d'Einstein dans laquelle la gravité et la géométrie de l'espace-temps sont magnifiquement synthétisées. La gravité est décrite par la courbure de l'espace-temps. C'est pourquoi les trous noirs en relativité générale sont des objets plus profonds et bizarres que les trous noirs de la théorie de la gravité de Newton décrite par Michell et Laplace.

Les mathématiques d'un tel effondrement ont été élaborées pour la première fois par Bishveshwar Datt de Kolkata en 1938. Cependant, peu de temps après avoir obtenu le résultat important, il est décédé sur la table d'opération alors qu'il était opéré d'une hernie. Un an plus tard, Robert Oppenheimer (qui est connu comme le père de la première bombe atomique) et David Snyder aux États-Unis ont obtenu le même résultat que Datt, connu sous le nom d'effondrement Oppenheimer-Snyder.

C'étaient les années de la Seconde Guerre mondiale, qui avaient rendu difficile le flux d'informations de l'Inde vers l'étranger. Pour cette raison, et la disparition triste et prématurée de Datt, sa contribution est restée méconnue jusqu'en 1999, lorsque le Journal of General Relativity and Gravitation l'a découvert et a réimprimé l'article original. En toute justice, le résultat jetant les bases de la formation de trous noirs devrait être appelé effondrement Datt-Oppenheimer-Snyder (DOS).

En 1953, Amal Kumar Raychaudhuri, maître de conférences au Ashutosh College, Kolkata, obtient une équation remarquable, qui porte son nom. Ceci gouverne l'évolution d'un système de particules selon la théorie de la gravitation d'Einstein. C'est l'équation de Raychaudhuri qui établit en toute généralité le résultat profond que l'occurrence d'une singularité est inévitable en relativité générale. Les travaux antérieurs de Datt, Oppenheimer et Snyder avaient fait des hypothèses simplificatrices qui n'ont pas été utilisées par Raychaudhuri dans son travail fondateur.

Au milieu des années 1960, Stephen Hawking et Roger Penrose, s'appuyant sur l'équation de Raychaudhuri et utilisant des techniques d'analyse globale, ont fait la prédiction profonde que la formation d'un trou noir avec une singularité en son centre est inévitable dans la théorie de la gravité d'Einstein. Ils ont prouvé des théorèmes très puissants établissant le résultat mathématiquement et rigoureusement. C'est cet ouvrage important qui est à l'origine du Nobel à Penrose. Hawking n'a pu être inclus dans le prix puisqu'il n'est pas attribué à des personnes décédées.

Bien que l'équation de Raychaudhuri conduise à la conclusion que la singularité est inévitable dans l'effondrement gravitationnel en relativité générale, ce que les puissants théorèmes de Hawking et Penrose ont montré en utilisant les techniques d'analyse globale est qu'à mesure que l'effondrement se poursuit, des surfaces piégées seraient formées à partir desquelles la matière ne peut pas s'échapper. En substance, les théorèmes expliquent le processus de formation des trous noirs en termes de géométrie de l'espace-temps. Le trou noir est bizarre et exotique simplement parce qu'il s'agit d'un objet purement géométrique.

L'ordre de profondeur en physique procède comme suit. Au sommet se trouve la découverte d'une nouvelle loi de la physique. Viennent ensuite les équations qui régissent le comportement de divers systèmes physiques, comme l'effondrement des étoiles ou l'expansion de l'univers. Et, enfin, nous avons divers résultats importants, utiles et intéressants qui découlent des équations. La théorie de la gravitation d'Einstein a conduit à de nombreux résultats profonds sur les trous noirs, l'univers en expansion, etc. Le rôle de l'équation de Raychaudhuri est clair dans cette hiérarchie.

En 1966, Fred Hoyle et Jayant Narlikar ont posé la question suivante : quelle devrait être la masse d'une étoile pour arrêter l'expansion cosmique de la matière environnante et former une structure semblable à une galaxie ? Ils ont découvert qu'il doit avoir environ un milliard de fois la masse du soleil. Ainsi, ils ont fait valoir que le centre d'une galaxie comme la nôtre devrait abriter une étoile supermassive. Les deux observateurs, Andrea Ghez et Reinhard Genzel, ont partagé le prix Nobel avec Penrose pour avoir trouvé un objet supermassif (c'est ce que dit la citation) au centre de notre galaxie. Il est largement admis que cet objet est un trou noir. Il est intéressant de noter que ce que Hoyle et Narlikar avaient prédit il y a plus d'un demi-siècle a maintenant été observé.

Les années 1960-70 ont été une époque très chargée pour de grandes découvertes en astrophysique relativiste et en cosmologie. Bien que la solution décrivant un trou noir ait été obtenue immédiatement après qu'Einstein ait découvert son équation, elle n'a été comprise comme un trou noir que dans les années 1960, un bon 45 ans plus tard. On peut noter que le terme trou noir n'a été inventé par John Wheeler qu'en 1967, alors qu'il répondait à une question du public lors d'une conférence à New York.

La solution la plus intéressante des équations d'Einstein décrivant un trou noir en rotation a été découverte en 1963 par le physicien néo-zélandais Roy Kerr. Une autre découverte capitale a été le rayonnement de fond cosmique micro-ondes à une température de 2,7 Kelvin (environ -270 degrés centigrades), qui était la plus grande prédiction de la théorie du big-bang de l'univers. L'univers a eu un début singulier dans un big-bang chaud, et le rayonnement micro-ondes observé porte ce message et cette signature.

Le décor était ainsi planté pour la grande découverte et la prédiction que la formation d'un trou noir et, par conséquent, la singularité centrale sont des caractéristiques inévitables de la gravité-relativité générale d'Einstein.

Naresh Dadhich est un physicien théoricien, anciennement du Centre interuniversitaire d'astronomie et d'astrophysique (IUCAA) à Pune. Ajit Kembhavi est astrophysicien à l'IUCAA