Pourquoi la température d’un trou noir est-elle si difficile à mesurer ?

La température d’un trou noir acoustique a enfin été mesurée par des scientifiques à la fin du mois de mai. Cette découverte, qui va dans le sens des prédictions de Stephen Hawking, n’est pas simple à comprendre : que mesure-t-on exactement ? Pourrait-on un jour prendre la température d’un véritable trou noir, comme M87*, celui qui a été photographié ?

Si la question est compliquée, c’est d’abord parce qu’on peut parler de deux choses différentes lorsqu’on s’intéresse à la température d’un trou noir. La température peut être « celle de la matière qui tombe dedans, ce qui est un problème d’astrophysique, et celle, intrinsèque prédite par Stephen Hawking, qui est un problème de physique théorique », nous répond Alain Riazuelo, chargé de recherche au CNRS et astrophysicien à l’IAP (Institut d’astrophysique de Paris).

La température de la silhouette du trou noir

La première de ces deux températures, celle de la matière qui tombe dans le trou noir, est sans doute la plus facile que l’on peut se représenter. C’est « la température du rayonnement de la matière autour du trou noir », décrit Alain Riazuelo. C’est cette « silhouette du trou noir » qui a été photographiée avec M87*, dont on aperçoit le halo lumineux sur l’image obtenue par l’Event Horizon Telescope.

Le halo lumineux du trou noir M87*.

Source : Wikimedia/CC/ESO (photo recadrée)

La température de cette matière est très élevée, poursuit l’astrophysicien. À proximité du trou noir de 3C273, une galaxie très lumineuse située à plus de 2 milliards d’années-lumières de la Terre, il fait 10 000 milliards de degrés. « Si un trou est très… noir, son environnement immédiat peut-être très lumineux, et c’est cela qui a permis d’imager la silhouette de l’un d’entre eux en avril dernier », explique notre interlocuteur. La manière dont cette matière est positionnée est encore très mystérieuse pour les scientifiques, d’où l’importance de pouvoir observer cette silhouette comme celle de M87*.

 « Bonne chance pour expliquer ça sans équation »

Les choses se corsent lorsque l’on parle de la température du trou noir. « La température est cette fois tellement basse qu’elle est totalement impossible à mesurer, remarque Alain Riazuelo. La température d’un trou noir pourrait être exprimée en degrés Celsius, mais elle est extrêmement proche du zéro absolu [notion que nous développons ci-après, ndlr] » Tenter de comprendre comment il serait possible de mesurer la température d’un trou noir n’est pas simple : l’astrophysicien nous explique qu’il n’aborde cette notion avec ses étudiants qu’en niveau de master 2. « Bonne chance pour expliquer ça sans équation », s’amuse-t-il.

Avant d’aller plus loin, il faut rappeler le paradoxe mis en évidence par Stephen Hawking : il a montré que les trous noirs ne le sont pas totalement. Les trous noirs émettent un rayonnement, dit rayonnement de Hawking, et peuvent s’évaporer (jusqu’à totalement disparaître). L’évaporation d’un trou noir peut sembler contre-intuitive. « Le concept de trou noir dit que sous certaines conditions, il existe une région de l’espace dont vous ne pouvez vous échapper », nous rappelle Alain Riazuelo, ajoutant qu’il faut faire appel à « la mécanique quantique » pour comprendre que des éléments puissent s’échapper du trou noir.

Une représentation d'un trou noir.

Source : Pixabay

« Dans une conception classique (non quantique) du monde, un objet est parfaitement localisé : soit il est dedans, soit il est dehors », poursuit l’expert. Un objet se trouvant dans le trou noir est alors piégé et ne peut plus en ressortir. « Donc un trou noir ne peut que grossir au fil du temps, fin de l’histoire, résume Alain Riazuelo. Mais si vous acceptez l’idée qu’un objet n’est pas localisé, alors il est possible que quelque chose s’échappe du trou noir. » Selon la mécanique quantique, un objet ou une particule ne peut pas être localisé dans l’espace.

Même en considérant la mécanique quantique, « l’image reste trompeuse car elle donne l’impression que la matière qui pénètre dans le trou noir peut s’en échapper. Cela n’est pas possible car le temps de survie de cette matière est très bref. Il faut donc plutôt voir cela comme la possibilité de ‘pomper’ de l’énergie au trou noir », souligne l’astrophysicien. Si cette énergie rayonne depuis le trou noir, il peut perdre de la masse.

Quel est l’intérêt de savoir cela pour tenter de calculer la température d’un trou noir ? « La température décroit inversement proportionnellement à la masse », indique Alain Riazuelo. Imaginons que l’on puisse avoir un trou noir équivalent à une masse solaire, même si ce n’est pas possible (il faut une masse minimale pour que les trous noirs puissent se former, située entre 3 et 5 masses solaires). Sa température serait « de l’ordre d’un dix-millionième de kelvins ». Zéro kelvin correspond au zéro absolu (la température la plus basse existante), soit -273,15° C. « Aucun objet ne peut avoir une température extrêmement nulle, pour des raisons qui seraient complexes à expliquer », nous prévient Alain Riazuelo.

À gauche, les degrés Celsius. À droite, les kelvins.

Source : Wikimedia/CC/Ainhoa Maiz (photo recadrée)

Et pour un trou noir supermassif (équivalent à un million de masses solaires ou plus) comme celui de la galaxie M87 qui a été photographié ? L’astrophysicien nous répond que ce « trou noir a une température 9 à 10 ordre de grandeur plus basse [ndlr : que dans l’exemple précédent]. Pas vraiment un feu de joie ! C’est la raison pour laquelle on ne peut espérer mesurer la température d’un trou noir. »

Y a-t-il une chance de mesurer cette température ?

N’existe-t-il donc aucune chance de mesurer la température d’un trou noir ? Une petite possibilité existe, poursuit l’astrophysicien : « On pourrait y arriver avec un très petit trou noir, où la compression de la matière est forte. Il émettrait un rayonnement plus intense, plus facile à mesurer. Mais former de tels trous noirs est très difficile car il faudrait comprimer de la matière jusqu’à des densités déraisonnables. » Pour se représenter cette densité, Alain Riazuelo explique que si la Terre formait un trou noir, il ferait à peine 2 centimètres de diamètre. « On ne s’attend pas à ce qu’il existe de si petits trous noirs, sauf si lors du Big Bang il existait des conditions permettant leur formation », précise-t-il. Si l’on trouvait de tels trous noirs, ils pourraient aider à confirmer les calculs de Stephen Hawking.

Pour tenter de vérifier ces prédictions par l’expérience, les scientifiques ont recours à des analogies, comme le trou noir acoustique qui a été mesuré fin mai. Mais aucune des équipes de scientifiques qui travaille sur cet épineux sujet n’utilise le même dispositif. « Comme on part toujours du principe qu’une expérience est robuste si on la fait deux fois, pour l’instant cela ne confirme pas le résultat. Mais ce résultat, s’il venait à être confirmé un jour, serait la meilleure vérification expérimentale des prédictions de Hawking », conclut l’astrophysicien.