Choses à Savoir SCIENCES

Un trou noir porte plutôt mal son nom. Car selon la physique moderne, il n’est pas complètement noir : il peut émettre un très faible rayonnement.
C’est ce qu’on appelle le rayonnement de Hawking, du nom du physicien britannique Stephen Hawking, qui en a proposé le mécanisme en 1974.
Pour comprendre, il faut d’abord rappeler ce qu’est un trou noir. C’est une région de l’espace où la gravité est tellement intense que, passé une frontière appelée « horizon des événements », rien ne peut revenir en arrière. Même la lumière ne peut plus s’en échapper.
Pendant longtemps, on pensait donc qu’un trou noir ne pouvait qu’absorber de la matière et de l’énergie.
Mais Hawking a montré que la situation change lorsqu’on combine la relativité générale, qui décrit la gravité, avec la physique quantique.
En physique quantique, le vide n’est pas réellement vide. Il est parcouru de fluctuations permanentes des champs quantiques. On représente parfois cela, de façon simplifiée, comme l’apparition momentanée de paires de particules et d’antiparticules.
Imaginez maintenant que ce phénomène se produise près de l’horizon d’un trou noir.
Dans cette image simplifiée, l’une des particules peut tomber dans le trou noir tandis que l’autre parvient à s’échapper. Pour un observateur lointain, le trou noir semble alors émettre une particule.
C’est le rayonnement de Hawking.
Mais cette explication par des « paires de particules » n’est qu’une métaphore pédagogique. Le véritable calcul repose sur la théorie quantique des champs dans un espace-temps courbé. L’idée essentielle est que le vide quantique n’est pas défini de la même manière près d’un trou noir et pour un observateur situé très loin.
Le résultat est spectaculaire : un trou noir possède une température.
Plus il est massif, plus cette température est faible. Un trou noir ayant la masse du Soleil aurait une température de seulement quelques dizaines de milliardièmes de kelvin, bien plus froide que le rayonnement cosmologique qui remplit actuellement l’Univers.
Mais en émettant ce rayonnement, le trou noir perd de l’énergie. Et selon la célèbre relation d’Einstein, E = mc², perdre de l’énergie revient aussi à perdre de la masse.
Le trou noir s’évapore donc extrêmement lentement.
Pour les trous noirs astrophysiques, cette évaporation prend des durées incroyablement longues, bien supérieures à l’âge actuel de l’Univers.
Le rayonnement de Hawking est donc fascinant parce qu’il relie trois domaines fondamentaux de la physique : la gravitation, la mécanique quantique et la thermodynamique.
Et surtout, il transforme complètement notre vision des trous noirs : ils ne sont pas éternels. Théoriquement, à très long terme, ils peuvent finir par disparaître.
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Quand on regarde l’altitude d’un avion de ligne en plein vol, on retrouve presque toujours le même ordre de grandeur : environ 10 000 à 12 000 mètres.

Pourquoi ne pas monter beaucoup plus haut, à 15 ou 20 kilomètres, afin de profiter d’un air encore moins dense ?

Parce qu’autour de 11 kilomètres se trouve une sorte de compromis idéal.

Commençons par comprendre pourquoi les avions montent aussi haut.

Près du sol, l’air est relativement dense. C’est pratique pour décoller, car les ailes peuvent facilement produire de la portance. Mais cette densité présente aussi un inconvénient : elle crée beaucoup de traînée, c’est-à-dire de résistance à l’avancement.

En montant, l’air devient moins dense. La traînée diminue et l’avion peut parcourir davantage de kilomètres pour une même quantité de carburant. Les réacteurs bénéficient également des températures très basses rencontrées en altitude, ce qui contribue à rendre la croisière plus efficace.

Alors pourquoi ne pas continuer à monter ?

Parce qu’un avion a aussi besoin d’air pour voler.

La portance produite par les ailes dépend notamment de la densité de l’air. Plus on monte, plus l’air se raréfie. Pour continuer à supporter le poids de l’appareil, il faut donc voler plus vite ou augmenter l’angle d’attaque des ailes.

Et les moteurs rencontrent eux aussi une limite : les réacteurs aspirent de l’air pour faire fonctionner leur combustion. Lorsque cet air devient trop rare, leur poussée disponible diminue.

Mais il existe un autre problème, plus surprenant.

À très haute altitude, la plage de vitesses utilisables se rétrécit. Si l’avion ralentit trop, il risque le décrochage. Mais s’il accélère trop, il s’approche de sa limite de Mach : des zones d’écoulement supersonique et des ondes de choc apparaissent autour des ailes, pouvant provoquer des vibrations et une perte d’efficacité aérodynamique.

Plus l’avion monte, plus ces deux limites se rapprochent. À l’extrême, on parle de « coffin corner », littéralement le « coin du cercueil ».

Voilà pourquoi les avions modernes ne cherchent pas simplement à voler « le plus haut possible ».

Ils cherchent l’altitude où ils consomment le moins de carburant tout en conservant suffisamment de portance, de poussée et de marge de sécurité.

Et pour les grands avions de ligne subsoniques, cette zone idéale se trouve généralement autour de 11 kilomètres au-dessus de nos têtes.
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Imaginez une plante enfermée dans une bouteille, sans recevoir une seule goutte d’eau pendant des décennies… et qui continue pourtant à vivre.

C’est l’expérience étonnante réalisée par le Britannique David Latimer.

En 1960, il place dans une grande bouteille en verre d’environ 38 litres du terreau et une plante du genre Tradescantia, également appelée misère. Il ajoute de l’eau et laisse la plante se développer.

Puis, en 1972, il l’arrose une dernière fois et ferme hermétiquement la bouteille.

Depuis, plus rien ou presque n’entre ni ne sort.

Alors comment la plante peut-elle survivre ?

Parce que Latimer a involontairement créé un écosystème miniature presque fermé.

Premier élément indispensable : l’eau.

La plante absorbe l’eau présente dans le sol par ses racines. Une partie est ensuite rejetée sous forme de vapeur par les feuilles, lors d’un phénomène appelé transpiration.

Mais puisque la bouteille est fermée, cette vapeur ne peut pas s’échapper. Elle se dépose sur les parois, se condense en petites gouttes puis retombe dans la terre.

Autrement dit, il pleut en quelque sorte à l’intérieur de la bouteille. L’eau tourne continuellement en circuit fermé.

Deuxième élément : les gaz.

Grâce à la lumière qui traverse le verre, la plante réalise la photosynthèse. Elle utilise du dioxyde de carbone, de l’eau et l’énergie lumineuse pour produire des sucres qui lui servent de nourriture, tout en libérant de l’oxygène.

Mais la plante respire également. Elle consomme une partie de cet oxygène et rejette du dioxyde de carbone, qui pourra ensuite être réutilisé pour la photosynthèse.

Enfin, les nutriments eux-mêmes sont recyclés.

Lorsque certaines feuilles meurent et tombent au sol, des micro-organismes présents dans le terreau les décomposent. Cette matière organique libère des éléments minéraux qui peuvent de nouveau être absorbés par les racines.

Le système n’est toutefois pas totalement isolé.

Une chose essentielle continue d’entrer : l’énergie du Soleil.

C’est elle qui alimente tout le mécanisme. La bouteille est donc presque fermée pour la matière, mais ouverte pour l’énergie.

L’expérience de David Latimer illustre ainsi à petite échelle le fonctionnement d’un écosystème naturel : l’eau et les nutriments y sont continuellement recyclés, tandis que l’énergie provient essentiellement du Soleil.

Dans cette simple bouteille se trouve donc une sorte de Terre miniature… capable de fonctionner pendant des décennies presque toute seule.
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Quand votre téléphone vous indique votre position à quelques mètres près, il utilise une technologie qui dépend directement… de la théorie de la relativité d’Einstein.

Et sans correction, votre GPS accumulerait rapidement des erreurs de plusieurs kilomètres.

Pour comprendre pourquoi, il faut monter à environ 20 000 kilomètres au-dessus de la Terre, là où orbitent les satellites GPS.

Chacun transporte des horloges atomiques extrêmement précises. Le principe est simple : les satellites envoient en permanence des signaux indiquant l’heure exacte à laquelle ils ont été émis. Votre téléphone mesure le temps mis par ces signaux pour arriver jusqu’à lui et en déduit la distance qui le sépare de plusieurs satellites.

Mais il existe un problème étonnant : le temps ne s’écoule pas exactement à la même vitesse dans les satellites et sur Terre.

Et cela tient à deux effets prédits par Einstein.

Le premier vient de la relativité restreinte.

Les satellites GPS se déplacent à près de 14 000 kilomètres par heure. Or, selon Einstein, plus un objet se déplace rapidement, plus son temps ralentit par rapport à celui d’un observateur moins rapide.

Résultat : à cause de leur vitesse, les horloges des satellites retardent d’environ 7 microsecondes par jour.

Mais un deuxième phénomène produit exactement l’effet inverse.

Selon la relativité générale, la gravité modifie elle aussi l’écoulement du temps. Plus la gravité est forte, plus le temps ralentit.

Or les satellites se trouvent très loin de la surface terrestre, là où l’influence gravitationnelle de la Terre est plus faible.

Leurs horloges avancent donc plus vite : environ 45 microsecondes par jour par rapport à celles situées au sol.

Faisons maintenant le calcul.

45 microsecondes d’avance, moins 7 microsecondes de retard : le bilan est d’environ 38 microsecondes d’avance chaque jour.

Cela paraît insignifiant.

Mais la lumière parcourt environ 300 mètres en une microseconde. Un décalage de 38 microsecondes représente donc plus de 11 kilomètres.

Pour éviter cette dérive, les ingénieurs règlent les horloges des satellites de manière à anticiper l’effet relativiste. D’autres corrections sont ensuite appliquées depuis le sol.

Ainsi, chaque fois que vous utilisez Google Maps, suivez un itinéraire en voiture ou qu’un avion détermine précisément sa position, une théorie formulée par Einstein au début du XXᵉ siècle travaille discrètement en arrière-plan.

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Le 7 février 1812, des voyageurs naviguant sur le Mississippi assistent à une scène presque impossible : par endroits, les eaux du gigantesque fleuve semblent soudain remonter vers le nord, à contre-courant.
À l’origine de ce phénomène se trouve l’un des plus puissants tremblements de terre jamais survenus dans le centre des États-Unis.
Depuis décembre 1811, la région de New Madrid, dans l’actuel Missouri, est secouée par une extraordinaire série de séismes. Trois événements principaux atteignent probablement une magnitude supérieure à 7. Celui du 7 février 1812 est particulièrement violent.
Or New Madrid se trouve juste à côté du Mississippi.
Lorsque le sous-sol se fracture, le paysage entier est bouleversé. Certaines zones s’affaissent de plusieurs mètres, tandis que d’autres se soulèvent. Des berges s’effondrent, des îles disparaissent, le sol se liquéfie et de gigantesques quantités de sable et d’eau remontent à la surface.
Mais surtout, le fond même du Mississippi se déforme.
À certains endroits, le mouvement de la faille soulève brutalement le lit du fleuve et forme temporairement des obstacles, voire des sortes de rapides et de petites cascades. L’eau qui descend normalement vers le golfe du Mexique se retrouve soudain freinée.
Elle s’accumule alors derrière ces nouveaux obstacles.
Simultanément, le mouvement du sol engendre d’énormes vagues dans le fleuve. Certaines se déplacent vers l’amont, donc dans la direction opposée au courant naturel.
Pour les marins présents sur place, le spectacle donne l’impression que le Mississippi tout entier s’est mis à couler à l’envers. Des témoignages racontent effectivement que le phénomène aurait duré plusieurs heures.
Il faut cependant apporter une nuance.
Les géologues ne pensent pas nécessairement que tout le débit du Mississippi s’est inversé de manière uniforme. Il s’agissait probablement d’un mélange de reflux locaux, de vagues remontant le courant et de retenues temporaires provoquées par les déformations du lit.
Puis, progressivement, l’eau a franchi ou contourné les obstacles et le courant normal vers le sud s’est rétabli.
Le séisme a néanmoins laissé des traces durables. Des terrains ont été déplacés de plusieurs mètres et le lac Reelfoot, dans le Tennessee, s’est notamment formé à la suite de l’affaissement du sol.
Ainsi, pendant quelques heures en 1812, l’un des plus grands fleuves du monde a semblé défier la gravité.
Mais ce n’était pas le Mississippi qui avait changé de destination.
C’était la terre sous ses eaux qui venait brutalement de changer de forme.
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