Depuis que nous connaissons leur existence, les humains se demandent ce que ce serait de plonger dans un trou noir.
Les trous noirs, ces objets célestes si massifs qu’ils sont capables de piéger la lumière et de « spaghettifier » tout ce qui y tombe, ont également captivé notre imagination collective. Les astronomes ont découvert des signes du premier système de trous noirs connu, Cygnus X-1, à l’intérieur de la Voie Lactée en 1964.
Mais prendre une photo décente d’un individu s’est avéré fastidieux. Une attention prolongée a finalement produit la première image d’un trou noir – un « beignet orange flou » désigné M87 – en 2019.
Pourtant, depuis le début, les astrophysiciens ont travaillé dur derrière des ordinateurs, exécutant des milliers d’équations mathématiques codées pour simuler la forme et le comportement des trous noirs. En fait, depuis les années 1970, les simulations représentent la pointe du domaine.
Comparez les beignets orange indistincts aux détails de l’image ci-dessous, générée par l’astrophysicien français Jean-Pierre Luminet sur un ordinateur IBM 7040 – en 1979.
À l’aide de données numériques provenant de l’ordinateur, Luminet a dessiné directement sur du papier négatif avec de l’encre de Chine noire, en plaçant des points plus denses là où la simulation montrait plus de lumière. Photo : ResearchGate
Meilleure simulation à ce jour
Avance rapide jusqu’en 2024, où Jeremy Schnittman, astrophysicien au Goddard Space Flight Center de la NASA, se spécialise dans la création de ces simulations avancées. Nous avons du mal à savoir ce qui se passe à l’intérieur des trous noirs, mais les deux dernières vidéos de Schnittman font progresser l’état de l’art.
Dans ceux-ci, une caméra simulée plonge vers la mystérieuse singularité au centre d’un trou noir en ultra haute définition.
“Les gens posent souvent des questions à ce sujet, et simuler ces processus difficiles à imaginer m’aide à relier les mathématiques de la relativité aux conséquences réelles dans l’univers réel”, a déclaré Schnittman à ExplorersWeb.
C’est le premier projet qui montre que le trou noir simulé ressemble au Sagittaire A, l’objet supermassif situé au centre de la Voie lactée. (Des chercheurs en ont publié en 2022 des photos de beignets orange et ont utilisé la théorie de la relativité d’Einstein pour modéliser à quoi il pourrait ressembler à une résolution plus élevée.)
Les expansions simulées dans les vidéos de Schnittman sont massives. « Sgr A* » pèse jusqu’à 4,3 millions de soleils et s’étend sur 23,5 millions de kilomètres de large. Mais il ne faut que quelques secondes simulées à la caméra pour l’atteindre à une distance de 640 millions de kilomètres, puis passer au-delà de l’horizon des événements dans ses profondeurs incontournables.
Schnittman a admis que la simulation n’essayait pas de représenter parfaitement la réalité. Premièrement, Sgr A* présente un nuage d’accrétion indistinct plutôt que le disque tranchant comme un rasoir dans la vidéo. Et l’arrière-plan est le ciel vu de la Terre, plutôt que depuis n’importe quel trou noir – parce que, eh bien, nous n’avons jamais photographié le ciel à proximité d’un trou noir.
Un supercalculateur de 127 232 cœurs
Quoi qu’il en soit, l’effort a été suffisamment intense. Rendus en 8K, 60 ips, les dix téraoctets de séquences vidéo auraient pris une décennie à générer sur un ordinateur portable conventionnel. Au lieu de travailler dans l’obscurité, Schnittman s’est associé à son collègue scientifique de Goddard, Brian Powell, pour utiliser le supercalculateur Discover du Center for Climate Simulation de la NASA.
Le cluster de supercalcul Discover de 127 232 cœurs peut effectuer 8 100 000 milliards d’opérations par seconde. Photo : Creative Commons
“Il faut de quelques minutes à quelques heures pour créer une image d’une vidéo comme celle-ci avec les calculs requis”, a expliqué Schnittman. « Alors multipliez cela par 10 000 fois, et vous avez besoin d’un superordinateur : des processeurs fonctionnant en parallèle.
La contrainte d’entrer dans un trou noir ressemble à notre fascination pour leurs connotations puissantes et sinistres. Oui, il y a suffisamment de gravité à l’intérieur pour que même la lumière ne puisse pas s’en échapper. Non, nous ne savons toujours pas ce qui se passe à la singularité, là où les lois de la physique se brisent et où les mathématiques ne fonctionnent plus.
Spaghettification
Mais en cours de route, nous savons que vous seriez «spaghettifié» – en gros, la différence entre la force gravitationnelle qui tire sur vos pieds et celle qui tire sur votre tête est si énorme que votre corps s’étirerait pour former une nouille fine et super allongée.
Il est cependant toujours possible d’échapper à la spaghettification, à condition de ne pas s’approcher suffisamment pour toucher l’horizon des événements. Cette région, située à l’intérieur d’un cercle de lumière en orbite appelé anneau de photons, ne fait aucun prisonnier. S’il était possible de vivre à l’intérieur plus de quelques secondes, on pourrait percevoir des objets au-delà, mais rien du tout ne pourrait en sortir.
Les simulations de la NASA décrivent les deux destins : un cas d’absorption par le trou noir et un cas d’évasion de justesse. Dans le scénario de la mort, la caméra simulée passe l’anneau de photons et s’approche de l’horizon des événements. La perception du temps passé à bord s’accélère à mesure que la gravité augmente. Une fois que la caméra entre dans l’horizon des événements, elle considère le temps en dehors du trou noir comme infini.
« La caméra est détruite. Quelques microsecondes plus tard, il atteint la singularité.
Cela reflète l’un des fantasmes professionnels de Schnittman – même si ce n’est pas son premier choix.
Une bonne façon de procéder
“Est [spaghettification] la gloire finale pour un astrophysicien ? Ce serait une bonne façon de procéder. Je pense que je vais toujours opter pour la voie allongée au lit, entourée de vos proches », a plaisanté Schnittman.
Schnittman fait partie d’une équipe de projet de la NASA chargée de développer un télescope spatial capable de capturer les premières images d’un trou noir depuis l’espace. Situé à des dizaines de milliers de kilomètres de la Terre, il renverrait des images à plus haute résolution de beignets orange.
“Cela rendra toutes ces images beaucoup plus nettes, environ 10 fois plus nettes”, a déclaré Schnittman. « Ce qui est drôle, c’est que puisque les simulations existaient bien avant que le beignet orange ne soit connu, nous n’essayons pas de revenir en arrière et de comprendre le beignet. Au lieu de cela, le beignet était excitant pour nous parce que nous l’avons vu et nous nous sommes dit : « A-ha ! Écoutez, nous avions raison après tout.
Le projet qu’il décrit prendra une demi-décennie et nécessitera des centaines de millions de dollars avant d’être mis en œuvre. Pour l’instant, les observateurs de trous noirs devraient continuer à se concentrer sur un seul endroit de l’univers connu : YouTube.
