Des pressions cosmiques

Ken Tapping, le 2 décembre 2015

Dans le ciel cette semaine…

  • Vénus brille intensément avant l’aube. Jupiter se trouve au-dessus et luit avec presque autant d’éclat.
  • Mars, beaucoup moins lumineuse, est entre les deux.
  • La Lune sera dans son dernier quartier le 2 décembre.

La pression à l'intérieur de la Terre est colossale. Il le faut pour soutenir les milliers de kilomètres de roc qui la recouvrent. Les objets cosmiques beaucoup plus massifs que notre petite planète doivent donc avoir une pression encore plus grande en leur centre. Existe-t-il une limite à ce que le roc et les autres matériaux qui composent les structures de l'univers peuvent supporter? Qu'arrive-t-il lorsque cette limite est dépassée? La matière étant faite d'atomes, ce sont ces minuscules particules qui assument le poids des matériaux qui forment les différents éléments que renferme l'Univers. Qu'advient-il des atomes lorsqu'ils sont soumis à des pressions extrêmes?

L'atome est formé d'un noyau — amas de protons et de neutrons — entouré d'électrons circulant sur des orbites. Pour chaque électron, il y a des paramètres définis, un peu comme l'adresse d'un locataire d'une grande tour d'habitation comportant des appartements vacants çà et là. Pour compenser la pression croissante qui s'exerce sur l'immeuble, l'on pourrait réduire sa taille en déplaçant les locataires des immeubles supérieurs dans des appartements vacants aux étages inférieurs, puis retirer les étages du haut. De la même façon, les atomes soumis à de très grandes pressions peuvent compenser en comblant les espaces vides près de leur noyau. On qualifie de « dégénérée » la matière qui s'est ainsi compactée. Les atomes comprimés deviennent beaucoup plus petits — une petite cuillère de matière dégénérée pèserait plus d'une tonne. À la fin de sa vie, notre Soleil deviendra une naine blanche, faite de matière dégénérée, de la taille de la Terre, mais il conservera pratiquement sa masse originale. Les étoiles plus grosses que le Soleil connaissent-elles le même destin?

Même à l'état dégénéré, les atomes sont essentiellement composés de vide, ce qui explique qu'ils ont encore la capacité de se comprimer si la pression subie s'accroît. Pour cela, il suffit que les couches de matière qu'ils soutiennent s'épaississent ou qu'un choc gigantesque leur soit appliqué. Si la force exercée est suffisante, les atomes s'affaissent sur eux-mêmes, forçant leurs électrons et leurs protons à fusionner pour former des neutrons. Ce processus peut transformer une étoile en amas de neutrons de quelques kilomètres de diamètre à peine – appelée étoile à neutrons. La gravité à la surface d'un de ses objets est telle que les montagnes atteignent à peine quelques millimètres de haut. Nous avons la quasi-certitude aujourd'hui que ces objets existent. La concordance entre nos observations et nos calculs tend à le prouver. Il existe cependant des objets encore plus curieux que les étoiles à neutrons : les trous noirs.

Sous l'effet de la pression de plus en plus forte, les neutrons finissent par se comprimer; une fois ce processus enclenché, la force gravitationnelle résultante sera toujours supérieure à la résistance des neutrons. Peut-on penser alors que la contraction peut se poursuivre jusqu'à atteindre l'infiniment petit et dense? Dans le langage mathématique, on appelle ce phénomène une singularité. Si ces objets existent, il est impossible de les observer toutefois, car ils sont invisibles.

Il suffit d'avoir gravi une échelle ou monté un long escalier pour savoir qu'il faut des efforts pour s'arracher à la gravité. Les rayons lumineux et la chaleur qu'émettent les étoiles n'y échappent pas. Se disperser dans l'espace exige de l'énergie. Si l'énergie nécessaire dépasse celle que possèdent les photons, ils ne peuvent s'échapper. Cela est exacerbé par l'intense gravité autour de la singularité, qui déforme l'espace-temps, enfermant la singularité dans un « horizon des évènements ». À l'intérieur de cet espace, la lumière n'est pas prisonnière, mais comme le temps est distendu, il lui faut simplement une éternité pour s'échapper.

Il est étrange de penser que la singularité qui est au cœur même des trous noirs ressemble à ce que l'Univers devait être au moment du Big Bang : un objet infiniment petit, incroyablement dense et extrêmement chaud.

Ken Tapping est astronome à l'Observatoire de radio-astrophysique du Conseil national de recherches du Canada, à Penticton (C.-B.) V2A 6J9.

Tél. : 250-497-2300
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Courriel : ken.tapping@nrc-cnrc.gc.ca

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