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Pourquoi les Photons sont Attirés dans les Trous noirs ?

Cette question, que tout amateur de cosmologie s'est posé, montre combien nous sommes esclaves de nos habitudes.

L'expérience quotidienne nous pousse en effet à raisonner en termes de force : une pomme tombe de son arbre à cause de la force gravitationnelle générée par la Terre sur sa propre masse. Dans cette logique, à cause de sa masse nulle, le photon devrait être la particule fantôme de la gravité et échapper ainsi à toute attraction, même d'un trou noir. Or, un raisonnement un peu plus approfondi montre que cette argumentation peut être remise en question. Comme des scientifiques l'ont souligné dès l'époque de Newton, l'accélération de la pesanteur est indépendante de la masse : dans une enceinte sous vide,une plume et une enclume chutent à la même vitesse. Dès lors, puisque la masse n'est pas un paramètre pertinent, pourquoi le photon ne subirait-il pas, lui aussi, l'effet de la gravité ? La question divisait les contemporains de Newton.

C'est un partisan de l'influence de la gravité sur la lumière qui, en 1783, invente le concept préfigurant les trous noirs. En raisonnant du point de vue de la vitesse de libération - la vitesse minimale qu'il faut conférer à un projectile pour qu'il s'émancipe de l'attraction gravitationnelle d'une planète -, John Michell, un professeur de géologie à Cambridge, conclut que, puisque la lumière a une vitesse limitée, elle ne peut s'échapper d'un corps céleste possédant une masse suffisamment importante. Quelques années plus tard, le physicien français Pierre-Simon Laplace baptisera un tel objet "corps obscur". Le mot "trou noir" n'existait pas encore (il sera forgé en 1967 par John Wheeler), mais l'idée y était.
Alors, le photon, esclave de la gravit ou non ? La physique newtonienne reposant sur la notion de force, n'a jamais su trancher. Il a fallu attendre Albert Einstein pour cela. Le physicien allemand a en effet montré en 1915 que la théorie newtonienne n'était qu'une approximation de la réalité.

L'ESPACE-TEMPS SE DÉFORME

La véritable théorie de la gravité - la relativité générale ("véritable" jusqu'à ce que nous en ayons une meilleure) - jette aux oubliettes la notion de force et la remplace par la notion de courbure d'espace-temps. Selon celle-ci, un corps massique agit sur un autre corps en déformant l'espace-temps autour de lui (on utilise le terme "espace-temps" plutôt que celui "d'espace" car en relativité générale, le temps joue un rôle aussi important que les trois dimensions de l'espace). Pour reprendre une image classique, l'espace-temps serait comme une toile de trampoline sur laquelle rouleraient des balles : en s'enfonçant dans la toile, les balles créent une concavité locale qui infléchit la trajectoire des autres balles. De la même manière, une étoile ou un nuage de gaz interstellaire modifient la trame de l'espace-temps environnante, altérant le mouvement des corps qui s'y déplacent.
Ceci est vrai même si les corps voyageurs sont des photons. De nombreuses observations l'ont prouvé en montrant comment le trajet d'une lumière provenant d'étoiles s'incurvait au passage d'autres étoiles. Dès lors, le cas du trou noir n'est que le paroxysme de cette situation : il possède une densité si élevée qu'il courbe les trajectoires des photons, tant et si bien que ceux-ci plongent vers son cœur. Conclusion, au regard de la relativité générale, le photon ne bénéficie d'aucun régime de faveur : s'il entre dans un trou noir, il y reste prisonnier.

X.M. - SCIENCE & VIE > Mars > 2007
 

   
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