Décryptez la physique des trous noirs du film Interstellar

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Le champ de gravitation d'un trou noir déforme fortement l'image du disque d'accrétion qui l'entoure et qui contient un plasma chaud et lumineux en rotation autour de l'astre. On peut s'en rendre compte avec cette image, extraite d'une simulation de ce que verrait un observateur s'approchant de l'astre compact selon une direction légèrement inclinée au-dessus du disque d'accrétion. La partie du disque située derrière le trou noir semble tordue à 90° et devient visible au-dessus du trou noir. Du fait du décalage Doppler, le disque d'accrétion est plus lumineux d'un côté que de l'autre. Jean-Pierre Luminet a fait la première simulation de ces images en 1979, bien avant celle montrée dans Interstellar qui contient, fiction oblige, quelques simplifications trompeuses. © Jean-Pierre Luminet, Jean-Alain Marck
Interstellar est un film de science-fiction plus proche du Gravity d'Alfonso Cuarón que du 2001 : l'Odyssée de l'espace de Stanley Kubrick. Seuls les spectateurs ayant déjà lu et digéré Trous noirs et distorsions du temps de l'astrophysicien relativiste Kip Thorne ainsi que Warped Passages de la physicienne des particules Lisa Randall en apprécieront vraiment la subtilité et la richesse. Les happy few qui ont lu en son temps la traduction française de The Fourth Dimension: A Guided Tour of the Higher Universes du mathématicien Rudy Rucker se sentiront eux aussi plus à l'aise pour comprendre les références aux trous de ver et aux possibilités magiques ouvertes par une cinquième dimension spatiale de l'espace-temps dont il est question dans Interstellar.
Interstellar est sorti en France le 5 novembre 2014. Il conte de façon réaliste les aventures d'hommes et de femmes qui cherchent à sauver l'humanité de l'extinction en colonisant des exoplanètes. Le voyage interstellaire y est supposé possible grâce à la découverte d'un trou de ver dans le système solaire. © Warner Bros. France, YouTube

D'Arthur Clarke à Kip Thorne et de Kubrick à Nolan

Par son souci du réalisme scientifique et par certains éléments que l'on peut voir comme des clins d'œil, tels le voyage vers Saturne où se trouve un trou de ver ou les robots qui évoquent le monolithe noir et Hal 9000, le film de Nolan fait penser à 2001 dont l'auteur du roman éponyme, Arthur Clarke, fut le scénariste et le conseiller technique. On ne peut de même s'empêcher de songer au roman La Guerre éternelle de Joe Haldeman, tout aussi réaliste avec ses sauts collapsar, ses voyageurs interstellaires en état de biostase et la prise en compte des effets relativistes sur l'écoulement du temps. Les décalages temporels font que certains personnages du film restés sur Terre envoient durant plusieurs décennies des messages aux héros partis explorer les exoplanètes autour du trou noir supermassif baptisé Gargantua, tandis qu'il ne s'écoule que quelques heures pour ces derniers. De tels décalages ont déjà été relatés par Arthur Clarke dans son roman Chants de la Terre lointaine, où il est déjà question de permettre à l'espèce humaine de survivre à l'agonie de la planète bleue en colonisant d'autres mondes, grâce à des sondes emportant des embryons humains, que des robots seront chargés de faire naître puis d'élever jusqu'à l'âge adulte.
Dans cette vidéo, Christopher Nolan débat avec Kip Thorne au sujet d'Interstellar et de l'image d'un trou noir entouré d'un disque d'accrétion qu'il contient. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite pour faire apparaître les sous-titres en anglais. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle et cherchez « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « français », puis cliquez sur « OK ». © YouTube, CBMTrailers

Mais rentrons dans le vif du sujet, à savoir le décryptage de certaines notions scientifiques qui soutiennent la trame d'Interstellar. Celle qui s'impose visuellement est sans conteste l'image d'un trou noir supermassif en rotation contenant des millions de masses solaires de par sa taille et qui est entouré d'un disque d'accrétion. On la doit à l'origine au physicien américain Kip Thorne, qui est le conseiller scientifique du film, l'un des plus grands spécialistes mondiaux de l'astrophysique des trous noirs. Carl Sagan l'avait déjà consulté au milieu des années 1980 pour son roman Contact en lui demandant s'il était scientifiquement crédible de faire voyager entre les étoiles son héroïne, Eleanor Arroway, à l'aide d'un trou noir. C'est théoriquement impossible mais Kip Thorne ne tarda pas à découvrir que la relativité générale d'Einstein contenait tout de même des solutions décrivant des trous de ver traversables, pourvu que l'on dispose d'énormes quantités de ce qu'on appelle l'énergie exotique.

Un documentaire en deux parties pour entrer en douceur dans le monde de l'espace-temps d'Einstein à la base du scénario d'Interstellar. © Jean-Pierre Luminet, YouTube

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Les trous noirs, des créateurs de mirages gravitationnels

Pour son film, Christopher Nolan a mis à disposition de Thorne des spécialistes en images de synthèse dotés de moyens informatiques puissants afin de concevoir des simulations réalistes de l'aspect visuel qu'aurait un trou noir en rotation entouré d'un disque d'accrétion. Le résultat a été montré par Thorne aux médias comme la représentation la plus précise à ce jour de ce phénomène. Il a parfois laissé plus ou moins entendre qu'il s'agissait même de la première simulation du genre, tellement réaliste qu'elle se serait accompagnée d'une découverte : l'effet inattendu du champ de gravitation d'un tel trou noir sur l'image du disque d'accrétion, qui apparaît comme déformée de façon spectaculaire.







L'astrophysicien et cosmologiste Jean-Pierre Luminet. Le 12 mars 2008, le Prix européen de la communication scientifique lui a été décerné à Bruxelles par l'Union européenne. © OBSPM


En fait, non seulement l'image présentée au public est fausse mais il ne s'agissait pas là d'une grande première comme l'explique sur le blog qu'a mis à sa disposition Futura-Sciences l'astrophysicien Jean-Pierre Luminet, lui aussi un spécialiste de réputation mondiale de la théorie des trous noirs. Luminet y rappelle qu'il a précédé Thorne et l'équipe de Nolan de 35 ans en simulant le phénomène sur ordinateur en 1979. Son collègue Jean-Alain Marck a mené une simulation plus réaliste encore au début des années 1990.
Dans un mail qu'il lui a spontanément envoyé, Thorne explique que les images qu'il a obtenues de son côté ont été volontairement simplifiées à destination du grand public mais qu'une publication scientifique incorporant tous les détails et rappelant l'incontestable priorité de l'astrophysicien français sera bientôt disponible. Pour en savoir plus, le lecteur est chaudement invité à consulter le post de Jean-Pierre Luminet sur son blog, Interstellar : un trou noir à Hollywood (1).


Parce que l'espace-temps est courbé par la matière et l'énergie, il est à l'origine de la force de gravitation qui dévie les trajectoires des corps célestes et des rayons lumineux. La théorie des trous noirs repose grandement sur les modifications du comportement d'un réseau de rayons lumineux impliqués par les équations de la relativité générale. Il existe aussi des mirages gravitationnels (20:00) générés par la courbure de l'espace-temps, comme l'explique cette seconde partie du documentaire. On y parle des ondes gravitationnelles et de l'aspect d'un disque d'accrétion entourant un trou noir (23:00). © Jean-Pierre Luminet, Youtube
Le temps ralentit au voisinage des trous noirs

Les trous noirs ne font pas que dévier les rayons lumineux et causer des mirages gravitationnels. Le temps s'écoule plus lentement au fur et à mesure que l'on s'approche d'eux. Dans Interstellar, celui que l'on nomme Gargantua semble au moins de la grosseur du Soleil, si l'on en juge par la taille des exoplanètes dont la masse est de l'ordre de celle de la Terre et que l'on voit à son voisinage. Si le Soleil devenait un trou noir, ce qui est impossible, son diamètre serait de moins de 10 km. En revanche, un tel astre compact, contenant 50 millions de masses solaires, engloberait l'orbite terrestre. Gargantua est donc certainement supermassif, ce qui veut dire que les forces de marée proches de son horizon sont faibles. On peut donc imaginer que, comme dans le film, une exoplanète puisse s'y maintenir intacte sans être détruite par ces forces de marée. L'écoulement du temps y serait donc plus lent, ce qui, en principe, rend compte du décalage temporel évoqué dans le film, à savoir qu'une heure passée à la surface de l'exoplanète correspond à quelques années loin du trou noir (bien que l'on puisse avoir des doutes sur la valeur exacte de ce décalage pour une exoplanète effectivement capable d'exister à proximité de l'horizon d'un trou noir supermassif en rotation).
Le mystère quantique de l'intérieur des trous noirs

Les forces de marée de Garguantua étant faibles, on devrait pouvoir traverser son horizon sans encombre et plonger au cœur du trou noir comme le fait le héros, Joseph Cooper. Mais au fur et à mesure que l'on approche de son centre, dans le cadre de la relativité générale classique, ces forces deviendraient de plus en plus fortes et chaotiques, étirant, malaxant puis mettant en pièces l'astronaute et sa navette. En définitive, ce qu'il y a au centre d'un trou noir, nous ne le savons pas.






Pionniers de la gravitation et de la cosmologie quantique à boucles, Carlo Rovelli et Francesca Vidotto ont récemment renouvelé le concept de trou noir en le remplaçant par celui d'étoile de Planck. La singularité centrale des trous noirs y serait éliminée car issue d'un artefact de traitement classique, non quantique, de la géométrie de l'espace-temps à petite échelle. © Patrimoine de l'Institut international des sciences théoriques, Francesca Vidotto.



Par nature, l'horizon des événements agit comme une membrane que l'on ne peut traverser que dans un seul sens. Aucune sonde pénétrant dans ce trou noir ne pourrait donc en ressortir ni même simplement envoyer des informations sur ce qu'il contient car il faudrait pouvoir dépasser le vitesse de la lumière. Dans le cadre des équations d'Einstein, ce centre doit coïncider avec une singularité de l'espace-temps dont la courbure tend vers l'infini à mesure que l'on s'en approche, tandis que temps et espace cessent d'exister. Il est probable cependant que des effets quantiques entrent en ligne de compte lorsque la matière formant le trou noir se trouve rassemblée dans une région où elle atteint la densité de Planck, gouvernée par les lois de la gravitation quantique. De même que la mécanique quantique stoppe l'effondrement des électrons sur le noyau des atomes, elle stopperait l'effondrement de l'espace et de la matière à l'intérieur des trous noirs, éliminant l'occurrence d'une singularité. On serait alors en présence d'astres compacts que l'on devrait baptiser étoiles de Planck, comme l'ont proposé Carlo Rovelli et Francesca Vidotto dans une publication sur arxiv cette année.

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Les trous noirs en rotation, de fabuleux réservoirs d'énergie

Un autre effet de la physique des trous noirs présenté dans le film de Nolan concerne ce que l'on appelle le processus de Penrose. Il est mis en pratique par les héros d'Interstellar afin de bénéficier d'un effet d'assistance gravitationnelle particulièrement efficace. Comme l'a montré en 1969 le grand mathématicien et physicien Roger Penrose, il est possible d'utiliser l'énergie associée à la rotation d'un trou noir de Kerr. Il suffit pour cela de pénétrer dans l'ergosphère d'un tel trou noir. Il s'agit d'une région au-delà de l'horizon des événements en dehors du trou noir où l'espace-temps lui-même est en quelque sorte emporté par sa rotation.






Une illustration du processus de Penrose. Un objet d'énergie totale E0, y compris celle liée à sa masse par la relation d'Einstein pénètre dans l'ergosphère d'un trou noir en rotation entourant son horizon des événements (event horizon). L'objet se scinde en deux parties dont l'une peut émerger de l'ergosphère avec une énergie supérieure à celle possédée initialement par l'objet. © Daniel Nagasawa



En théorie, on peut extraire au moins autant d'énergie que celle équivalant à la masse d'une partie d'un vaisseau spatial, ce qui est énorme, en laissant tomber celle-ci en direction du trou noir. Seulement 0,6 % de la masse d'une étoile comme le Soleil peut être convertie en énergie par la fusion thermonucléaire. Mais avec un trou noir en rotation à vitesse maximale, c'est 29 % de sa masse sous forme d'énergie de rotation qui peut être extraite grâce au processus de Penrose.
Outre la physique des trous noirs, Interstellar fait aussi entrer en jeu celle des trous de ver, ainsi que celle de l'espace et du temps d'êtres vivants en cinq dimensions. On y parle d'un mystérieux « bulk » et les lois de causalité semblent faire dépendre le passé du futur. Nous y reviendrons dans un prochain article.