Bonjour à tous, aujourd'hui dans ScienceClic, trous noirs et cônes de lumière. Imaginons qu'on allume une bougie. La bougie émet un flash de lumière qui se propage dans toutes les directions, formant une bulle qui grossit.
Cette bulle est à trois dimensions et nous englobe complètement. Si l'on se trouve à l'intérieur, il est impossible d'en sortir, car il faudrait dépasser la vitesse de la lumière. Imaginons qu'on n'observe qu'une tranche de l'espace à deux dimensions. La bulle forme un cercle qui grossit tout autour de nous.
Si l'on décompose la situation image par image, et que l'on aligne les images les unes derrière les autres, On peut construire un diagramme dans lequel cette bulle de lumière, qui grossit au cours du temps, forme un cône. Ce cône s'élargit du passé vers le futur, et à l'intérieur, nous traçons une trajectoire à travers le temps. Les parois du cône sont inclinées à 45 degrés, car la lumière parcourt toujours en un même temps, une même distance.
Par exemple, en un an... La lumière parcourt toujours une distance de une année-lumière dans l'espace. Ce type d'objet est ce qu'on appelle un cône de lumière.
À mesure que le temps s'écoule, le cône s'élargit à la vitesse de la lumière, et quoi que l'on fasse, notre trajectoire reste confinée à l'intérieur, il nous est impossible d'en ressortir. En relativité, ces cônes de lumière sont essentiels pour comprendre la structure de l'univers. Ils permettent notamment de restreindre les relations de cause à effet.
Pour comprendre, imaginons un événement qui se produit à une certaine distance de la Terre. Par exemple, une explosion de supernova. Cet événement ne pourra affecter la Terre que lorsque son cône de lumière nous aura atteint.
Avant cela... Aucune information sur l'explosion ne peut nous parvenir, car rien ne peut se transmettre plus vite que la lumière. Cette explosion ne pourra être vue et ressentie sur Terre qu'à partir du moment où l'on entre dans son cône de lumière.
La causalité, le fait qu'un événement puisse en déclencher un autre, est limité par la vitesse de la lumière. Mais les cônes de lumière permettent surtout de comprendre la différence fondamentale entre les notions de temps et d'espace. Quelle est la différence entre le temps et l'espace ? Dans l'espace, on peut se déplacer dans n'importe quelle direction, faire demi-tour ou encore suivre une trajectoire qui reboucle sur elle-même.
Mais en ce qui concerne le temps, tous les objets sont destinés à s'y déplacer dans un même sens. Dans le temps, Il est impossible de faire demi-tour. On s'y déplace forcément du passé vers le futur. Les cônes de lumière permettent de bien voir cette différence.
Dans l'espace, on est libre de choisir n'importe quelle direction. Mais dans le temps, les cônes de lumière successifs nous obligent à avancer toujours vers le futur. On ne peut pas faire demi-tour car il est impossible de sortir des cônes de lumière. Cette propriété va nous permettre de définir plutôt rigoureusement ce qu'on appelle le temps. Le temps, en relativité, est simplement la direction dans laquelle sont orientées les cônes de lumière.
C'est cette direction suivant laquelle on ne peut pas faire demi-tour. Cette direction vers laquelle pointent toutes les trajectoires possibles. et dans laquelle se situe forcément notre futur.
L'espace, quant à lui, est l'ensemble des autres directions perpendiculaires au temps. Dans une zone où l'univers est vide, en l'absence de gravité, sa structure, l'espace-temps, est régulière. Le temps et l'espace forment une grille ordonnée, rectiligne, et les cônes de lumière sont tous alignés dans une même direction.
On peut ainsi y définir le temps de façon globale. Dans ce diagramme, le temps va globalement de la gauche vers la droite. Mais imaginons maintenant que l'univers contienne un astre très magnifique, Comme par exemple la Terre.
Si on lâche une pomme en altitude, la pomme va peu à peu être entraînée vers le bas, déviée par la gravité de la planète. Mais si la gravité entraîne la matière, elle entraîne également la lumière. Et si la pomme émet des bulles de lumière au cours du temps, la lumière va elle aussi être entraînée vers le bas, à proximité d'un astre massif, Les cônes de lumière ne sont plus alignés les uns après les autres.
Ils tournent peu à peu, courbés par la gravité. A proximité d'un astre massif, la direction des cônes de lumière se penche. En d'autres termes, le temps est courbé vers le centre de la planète.
Si la pomme tombe alors qu'elle était initialement immobile, c'est parce que son futur est dirigé vers le bas. Les astres distors de la géométrie de l'univers, l'espace et le temps sont des notions relatives dont l'orientation dépend de l'endroit où l'on se place, c'est la relativité générale. Plus un astre est massif, plus il courbe l'espace-temps. Mais imaginons un objet massif et très compact. Un astre de ce type engendrerait une courbure telle qu'en dessous d'une certaine altitude, les cônes de lumière seraient complètement orientés vers le bas.
Si on allume une bougie à cet endroit, tous les rayons lumineux, quelle que soit leur direction de départ, seraient destinés à tomber vers le centre. C'est ce qu'on appelle un trou noir. Un trou noir est une région sphérique de l'univers, une sorte de bulle, dans laquelle la courbure de l'espace-temps entraîne tous les objets vers le centre. Si on n'observe qu'une tranche de l'espace à deux dimensions, le trou noir forme un cercle qui reste statique et trace un cylindre dans l'espace-temps.
La frontière du trou noir est ce qu'on appelle l'horizon. Au-dessus de l'horizon, certains rayons lumineux peuvent échapper à la gravité. Mais sous l'horizon, toute la lumière est capturée. Dans un trou noir, les cônes de lumière confinent la trajectoire de n'importe quel objet vers le bas.
Le temps lui-même est dirigé vers le centre du trou noir. Pour comprendre ce qu'est réellement un trou noir, il va être intéressant d'envisager deux points de vue différents. Celui d'un astronaute qui tombe dans le trou noir, et celui d'un observateur lointain, stationné à grande distance.
Pour l'observateur lointain, la gravité est très faible. Dans son voisinage, la grille d'espace et de temps est régulière. Pour lui, le temps s'écoule de la gauche vers la droite.
L'horizon du trou noir semble immobile. Il trace une ligne droite du passé vers le futur. Mais observons maintenant le point de vue de l'astronaute qui tombe.
A mesure qu'il se rapproche de l'horizon, le temps et l'espace pivotent peu à peu, courbés par la présence du trou noir. Et lorsqu'il atteint enfin l'horizon du trou noir, l'astronaute ne s'en rend pas compte, mais à cet endroit, le temps et l'espace sont penchés à 45 degrés par rapport à l'observateur lointain. Pour cet astronaute, l'horizon...
n'est pas une ligne horizontale du passé vers le futur, mais une diagonale qui monte à 45 degrés, exactement comme la surface d'un cône de lumière. Alors que l'observateur lointain voit le trou noir immobile, pour l'astronaute au niveau de l'horizon, le temps et l'espace sont inclinés, si bien que le trou noir se comporte comme un cône de lumière. ce qui explique qu'il est impossible d'en sortir.
Lorsqu'il franchit l'horizon, les notions de temps et d'espace semblent interchanger par rapport à l'extérieur. Le temps pointe désormais vers le bas, ce qui était avant une direction dans l'espace. L'horizon du trou noir n'est plus un endroit dans l'espace, mais un instant dans notre passé. Et le centre du trou noir n'est plus un point, Mais un événement dans notre futur, un destin auquel on n'échappera pas. Sous l'horizon, tous les objets tombent inéluctablement, car c'est dans cette direction que se trouve leur futur.
Lorsqu'une étoile massive s'effondre sur elle-même, elle émet un dernier flash de lumière, une dernière bulle qui tente de grossir. Mais dans un espace-temps penché à courbé par la masse de l'étoile, Si bien que la bulle semble figée depuis l'extérieur. Un trou noir s'est formé.
C'est un cône de lumière rendu immobile par la courbure de l'espace-temps. En redressant le diagramme, on rétablit une direction du temps global, de la gauche vers la droite. Dans ce diagramme redressé, on voit explicitement que l'horizon du trou noir forme un cône de lumière. émergeant depuis l'étoile qui s'effondre et depuis l'intérieur duquel il est impossible de ressortir. Une fois sous l'horizon, ce cône force notre trajectoire à heurter le centre du trou noir, là où la courbure devient si intense que nos modèles ne fonctionnent plus.
Le centre du trou noir est un événement dans le futur. Enfin, si l'on compactifie ce diagramme, on obtient un diagramme de Penrose. dans lequel l'extérieur et l'intérieur du trou noir forment deux régions distinctes, et dès lors qu'on franchit l'horizon, le reste de l'univers se situe derrière nous. Dans notre passé, il nous est impossible d'y réaccéder.
Notre seul futur possible est de tomber inéluctablement vers la singularité.