La NASA dévoile de nouvelles vidéos immersives simulant ce qu’il pourrait se produire en approchant (d’un) ou en plongeant (dans un) trou noir supermassif, au-delà de l’horizon des événements. Réalisées à l’aide du supercalculateur Discover du Center for Climate Simulation, les simulations montrent un aperçu inédit des étranges effets de la relativité générale, avec des formats à 360 degrés offrant une grande immersion.
Les vidéos réalisées par la NASA montrent des simulations d’un voyage vers un trou noir supermassif non rotatif dont la masse est de 4,3 millions de fois celle du Soleil — équivalente à celle du trou noir au centre de la Voie lactée, Sagittarius A*. « Si vous aviez le choix, vous préféreriez tomber dans un trou noir supermassif », explique dans un article de blog de la NASA Jeremy Schnittman, astrophysicien au Goddard Space Flight Center de la NASA et réalisateur des vidéos.
En effet, les trous noirs dont la masse équivaut à environ 30 fois celle du Soleil possèdent un horizon des événements beaucoup plus petit et donc des forces de marées plus intenses. Ces forces de marée déchiquetteraient les objets avant même qu’ils n’atteignent l’horizon des événements.
L’horizon des événements du trou noir des simulations s’étend sur environ 25 millions de kilomètres, soit près de 17 % de la distance Terre-Soleil. Son disque d’accrétion ainsi que les fins anneaux de photons qui l’entourent sont bien visibles. Les anneaux de photons se forment près du trou noir, juste avant l’horizon des événements — à partir de la lumière qui en fait le tour une ou plusieurs fois. Un fond de ciel étoilé vu de la Terre complète la scène.
Les vidéos débutent lorsqu’une caméra hypothétique est située à 640 millions de kilomètres du trou noir. Afin d’offrir un meilleur aperçu des étranges effets de la relativité, Schnittman a imaginé deux scénarios : l’un dans lequel la caméra échappe de peu à l’horizon des événements et parvient à s’en dégager et l’autre dans lequel elle franchit le point de non-retour, gagnant ainsi le centre du trou noir.
« Les gens se 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 », explique-t-il. Les vidéos sont disponibles en plusieurs formats : explicatif (montrant comment l’espace-temps est déformé, comment le temps s’écoule, …), à 360 degrés et sous la forme de cartes.
Une « spaghettification » en 12,8 secondes
Pour créer les simulations, Schnittman s’est appuyé sur le supercalculateur Discover de la NASA. Le dispositif a traité 10 téraoctets de données, soit l’équivalent de la moitié du contenu textuel de la bibliothèque du Congrès américain. La réalisation et le montage des vidéos ont nécessité environ 5 jours d’exécution en utilisant seulement 0,3 % de la capacité des 129 000 processeurs de Discover. À titre de comparaison, l’exécution de la même quantité de données nécessiterait plus d’une décennie avec un ordinateur portable actuel.
Dans le premier scénario, où la caméra franchit l’horizon des événements du trou noir, elle commence par s’approcher de celui-ci en atteignant des vitesses de plus en plus proches de celle de la lumière. À mesure qu’elle s’approche du disque d’accrétion, la lumière de ce dernier ainsi que celle des étoiles en arrière-plan s’amplifient.
La caméra mettrait environ 3 heures pour atteindre l’horizon des événements après avoir effectué près de deux orbites complètes (de 30 minutes) autour du trou noir. Cependant, du point de vue d’un observateur qui se situerait loin du trou noir, elle donnerait l’impression de ne jamais arriver à destination. En effet, l’espace-temps se déforme à mesure qu’on se rapproche de l’horizon des événements, ce qui donne l’impression que l’objet ralentit puis se fige avant de le franchir complètement.
Du point de vue de la caméra, le disque d’accrétion, les anneaux de photons et le ciel nocturne en arrière-plan se déforment à mesure qu’elle gagne l’intérieur du trou noir. Étant donné que la lumière se déplace à travers un espace-temps déformé, les images se dupliquent et donnent l’impression d’être dans un espace rempli de miroirs.
Une fois au niveau de l’horizon des événements, l’espace-temps lui-même s’écoule à la vitesse de la lumière vers l’intérieur du trou noir. La caméra le franchit pour se précipiter vers la singularité, le point unidimensionnel au centre du trou noir et au niveau duquel les lois de la physique ne s’appliquent plus.
« Une fois que la caméra traverse l’horizon, sa destruction par spaghettification ne prend que 12,8 secondes », indique Schnittman. Cela se produit parce que l’attraction gravitationnelle exercée sur l’extrémité de l’objet qui est la plus proche du trou noir est beaucoup plus intense que celle exercée au niveau l’extrémité opposée. Il s’étire alors en de fines bandes de matière, d’où l’appellation « spaghettification ». À partir de là, il ne reste plus que 128 000 kilomètres à parcourir jusqu’à la singularité, en un clin d’œil (de l’ordre de la microseconde).
Vidéo du premier scénario imaginé par Schnittman, où une caméra hypothétique franchit l’horizon des événements du trou noir (version explicative) :
Un astronaute revenant 36 minutes plus jeune ?
Dans le second scénario, dans lequel la caméra échappe de justesse à l’horizon des événements, le même phénomène de distorsion de l’espace-temps se produit. À son point le plus proche de l’horizon des événements, elle atteindrait une vitesse maximale de 60 % de celle de la lumière. Les structures dans le sens de son déplacement s’éclaircissent et se dupliquent à mesure que sa vitesse augmente. Toutefois, après avoir effectué deux orbites autour du trou noir, elle repart en toute sécurité pour regagner un hypothétique vaisseau mère.
Si un astronaute réalisait le même voyage (un aller-retour de 6 heures) à la place de la caméra, il reviendrait 36 minutes plus jeune que ses collègues restés loin du trou noir. En effet, le temps s’écoule plus lentement à proximité d’une forte source gravitationnelle et lorsqu’on se déplace à une vitesse proche de celle de la lumière. Un décalage plus important se produirait si le trou noir tournait à grande vitesse. L’astronaute qui s’en approcherait suffisamment (de l’horizon des événements) reviendrait jusqu’à plusieurs années plus jeune, comme dans le film Interstellar.
Vidéo du second scénario imaginé par Schnittman, dans lequel une caméra hypothétique échappe de justesse à l’horizon des événements du trou noir (version explicative) :
Un trou noir
est un objet compact au champ gravitationnel si intense qu'aucune
matière ni aucun rayonnement ne peut s'en échapper. Puisque ces
astres n'émettent aucune lumière, ils ne peuvent être... [...]