Vous êtes-vous déjà demandé ce qui se passait lorsque vous tombiez dans un trou noir ? Désormais, grâce à une nouvelle visualisation immersive réalisée sur un supercalculateur de la NASA, les spectateurs peuvent plonger dans l’horizon des événements, le point de non-retour d’un trou noir.
« 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 Jeremy Schnittman, astrophysicien au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, qui créé les visualisations. « J’ai donc simulé deux scénarios différents, l’un dans lequel une caméra – un remplaçant pour un astronaute audacieux – rate de peu l’horizon des événements et recule, et l’autre dans lequel elle franchit la frontière, scellant ainsi son destin. »
Les visualisations sont disponibles sous plusieurs formes. Les vidéos explicatives font office de guides touristiques, mettant en lumière les effets bizarres de la théorie de la relativité générale d’Einstein. Les versions rendues sous forme de vidéos à 360 degrés permettent aux spectateurs de regarder tout autour pendant le voyage, tandis que d’autres se présentent comme des cartes plates du ciel.
Pour créer les visualisations, Schnittman s’est associé à son collègue scientifique de Goddard, Brian Powell, et a utilisé le supercalculateur Discover du Center for Climate Simulation de la NASA. Le projet a généré environ 10 téraoctets de données, soit l’équivalent d’environ la moitié du contenu textuel estimé de la Bibliothèque du Congrès, et a duré environ 5 jours sur seulement 0,3 % des 129 000 processeurs de Discover. Le même exploit prendrait plus d’une décennie sur un ordinateur portable classique.
La destination est un trou noir supermassif avec 4,3 millions de fois la masse de notre soleil, équivalent au monstre situé au centre de notre galaxie, la Voie lactée.
Dans cette visualisation d’un vol vers un trou noir supermassif, les étiquettes mettent en évidence de nombreuses caractéristiques fascinantes produites par les effets de la relativité générale au cours du parcours. Produite sur un superordinateur de la NASA, la simulation suit une caméra alors qu’elle s’approche, tourne brièvement en orbite, puis traverse l’horizon des événements – le point de non-retour – d’un trou noir monstre semblable à celui au centre de notre galaxie. Crédit : Goddard Space Flight Center de la NASA/J. Schnittman et B. Powell
« Si vous avez le choix, vous voulez tomber dans un trou noir supermassif », a expliqué Schnittman. « Les trous noirs de masse stellaire, qui contiennent jusqu’à environ 30 masses solaires, possèdent des horizons d’événements beaucoup plus petits et des forces de marée plus fortes, qui peuvent déchirer les objets qui s’approchent avant qu’ils n’atteignent l’horizon. »
Cela se produit parce que l’attraction gravitationnelle exercée sur l’extrémité d’un objet la plus proche du trou noir est beaucoup plus forte que celle exercée sur l’autre extrémité. Les objets tombés s’étirent comme des nouilles, un processus que les astrophysiciens appellent spaghettification.
L’horizon des événements du trou noir simulé s’étend sur environ 16 millions de miles (25 millions de kilomètres), soit environ 17 % de la distance entre la Terre et le soleil. Un nuage plat et tourbillonnant de gaz chaud et incandescent appelé disque d’accrétion l’entoure et sert de référence visuelle pendant l’automne. Il en va de même pour les structures lumineuses appelées anneaux de photons, qui se forment plus près du trou noir à partir de la lumière qui a tourné autour de lui une ou plusieurs fois. Un fond de ciel étoilé vu de la Terre complète la scène.
À mesure que la caméra s’approche du trou noir, atteignant des vitesses de plus en plus proches de celle de la lumière elle-même, la lueur du disque d’accrétion et des étoiles en arrière-plan s’amplifie de la même manière que le son d’une voiture de course venant en sens inverse augmente en hauteur. Leur lumière apparaît plus brillante et plus blanche lorsque l’on regarde dans le sens du déplacement.
Les films commencent avec la caméra située à près de 400 millions de miles (640 millions de kilomètres), le trou noir remplissant rapidement la vue. En cours de route, le disque du trou noir, les anneaux de photons et le ciel nocturne sont de plus en plus déformés et forment même de multiples images à mesure que leur lumière traverse un espace-temps de plus en plus déformé.
Visitez une visualisation alternative qui suit une caméra alors qu’elle s’approche, tombe, tourne brièvement en orbite et s’échappe d’un trou noir supermassif. Cette version immersive à 360 degrés permet aux spectateurs de regarder autour de eux pendant le vol. Crédit : Goddard Space Flight Center de la NASA/J. Schnittman et B. Powell
En temps réel, la caméra met environ 3 heures pour atteindre l’horizon des événements, exécutant près de deux orbites complètes de 30 minutes en cours de route. Mais pour quiconque l’observait de loin, il n’y parviendrait jamais. À mesure que l’espace-temps se déforme de plus en plus à l’approche de l’horizon, l’image de la caméra ralentirait puis semblerait se figer juste avant. C’est pourquoi les astronomes appelaient à l’origine les trous noirs des « étoiles gelées ».
À l’horizon des événements, même l’espace-temps lui-même s’écoule vers l’intérieur à la vitesse de la lumière, la limite de vitesse cosmique. Une fois à l’intérieur, la caméra et l’espace-temps dans lequel elle se déplace se précipitent vers le centre du trou noir, un point unidimensionnel appelé singularité, où les lois de la physique telles que nous les connaissons cessent de fonctionner.
« Une fois que la caméra traverse l’horizon, sa destruction par spaghettification ne prend que 12,8 secondes », a déclaré Schnittman. De là, il ne reste que 79 500 milles (128 000 kilomètres) jusqu’à la singularité. Cette dernière étape du voyage se termine en un clin d’œil.
Dans le scénario alternatif, la caméra orbite près de l’horizon des événements, mais elle ne le traverse jamais et ne s’échappe pas vers la sécurité. Si une astronaute pilotait un vaisseau spatial lors de ce voyage aller-retour de 6 heures pendant que ses collègues du vaisseau mère restaient loin du trou noir, elle reviendrait 36 minutes plus jeune que ses collègues. En effet, le temps s’écoule plus lentement à proximité d’une forte source gravitationnelle et lorsqu’on se déplace à proximité de la vitesse de la lumière.
« Cette situation peut être encore plus extrême », a noté Schnittman. « Si le trou noir tournait rapidement, comme celui montré dans le film ‘Interstellar’ de 2014, il reviendrait plusieurs années plus jeune que ses camarades. »