Compte rendu de la conférence mensuelle de la SAF du 9 octobre 2019

L’Univers selon Stephen Hawking

Conférence donnée par Jean-Pierre Luminet

Astrophysicien, Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM)

Crédit : NASA/JPL, Caltech

Jean Pierre Luminet est astrophysicien et aussi poète et musicien.  Il travaille actuellement au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM) après avoir longtemps été en poste à l’Observatoire de Paris Meudon au département du LUTh (Laboratoire Univers et Théories). Il est l’auteur du blog LUMINESCIENCES.

Stephen Hawking est né le 8 janvier 1942, 300 ans après la mort de Galilée. Il meurt le 14 mars 2018, jour anniversaire de la naissance d’Albert Einstein. Jean-Pierre Luminet prend connaissance des travaux de Stephen Hawking dès 1975 à la Fac de Montpellier puis à Meudon.

Stephen Hawking souffre depuis sa jeunesse de la maladie de Charcot qui attaque toutes les fonctions nerveuses, il va progressivement ne plus pouvoir bouger aucune partie de son corps. En 1976  Jean-Pierre Luminet obtient une bourse pour aller travailler à Cambridge où il va rencontrer Stephen Hawking.

Stephen se trouve de plus en plus bloqué dans son fauteuil qui va devenir son emblème. Pourtant il devient prof de mathématique à Cambridge occupant la célèbre chaire Lucasienne occupée jadis par Newton.

En 1986 il participe au colloque de Meudon. En 1988 il devient célèbre auprès du grand public en publiant « Une brève histoire du Temps », où il rend la cosmologie accessible à (presque) tous. En 1993, France 2 diffuse un reportage sur Hawking de Bernard Pivot dans le cadre de l’émission « Bouillon de culture ». Jean-Pierre Luminet le rencontrera personnellement encore une fois à Ajaccio en 2007.

Les travaux de Stephen Hawking

Stephen Hawking est obsédé par le Temps, est-il éternel ? Comment rendre compatible les deux grandes théories régissant l’Univers : celle de l’infiniment petit, la Mécanique Quantique et celle de l’infiniment grand, la Relativité Générale ? Et bien entendu un domaine qui va le rendre célèbre : les trous noirs.

Les étoiles massives ont une fin de vie qui mène à un effondrement maximum, elles peuvent devenir des trous noirs, zone d’où même la lumière ne peut s’échapper. La limite à partir de laquelle tout est happé irrémédiablement s’appelle l’horizon des évènements. C’est dans les années 1960 que Stephen Hawking et Roger Penrose ont montré que cet effondrement menait à ce que l’on appelle en mathématique une singularité. Au-delà de cet horizon, ce serait la « fin du Temps », alors que la singularité du Big Bang serait le « début du Temps ». Déjà, Georges Lemaître avait travaillé sur ces singularités dès 1933.

La théorie des trous noirs

Les trous noirs classiques sont définis par :

  • leur masse
  • leur moment angulaire et
  • leur charge (généralement neutre).

Un trou noir est donc un objet extrêmement simple et « lisse », ce que John Wheeler traduisit par : un trou noir n’a pas de cheveux (black holes have no hair). C’est ce que l’on appelle le théorème d’unicité des trous noirs ; y ont participé Stephen Hawking, Brandon Carter et Werner Israel dans les années 1970. En 1971, Stephen Hawking prouve que l’aire d’un trou noir ne peut pas décroitre et que sa valeur est donnée par la formule ci-contre. Stephen Hawking s’est ensuite intéressé à la thermodynamique des trous noirs.

Jacob Bekenstein suggère une entropie proportionnelle à l’aire du trou noir. Il réconcilie le conflit entre l’irréversibilité classique et quantique des trous noirs. Mais un trou noir absorbe tout et n’émet rien ! Que devient l’information lorsque le trou noir s’évapore ? Que devient donc l’information :

  • Si elle disparaît avec le trou noir : cela viole les règles de la Mécanique Quantique.
  • Si elle est émise comme radiation de Hawking, cela viole aussi les règles de la Mécanique Quantique.

Mais si le trou noir possède une entropie, il doit être capable de rayonner. C’est l’évaporation quantique des trous noirs. Le vide est un endroit qui est tout sauf vide. En effet il s’y crée en permanence des paires de particules/antiparticules (celles-ci sont appelées des particules virtuelles, car on ne peut pas les observer directement avec un détecteur) pour de brefs instants. Il est possible qu’une paire particule/antiparticule se forme de part et d’autre de l’horizon d’un trou noir ; il est donc possible qu’une des particules puisse échapper au champ gravitationnel tandis que l’autre reste prisonnière. C’est le rayonnement de Hawking.

L’évaporation est négligeable pour les trous noirs massifs, mais Stephen Hawking a montré qu’elle serait importante pour les tout petits trous noirs (les TN primordiaux) et peu massifs. Ils auraient pu se former au moment du Big Bang. Ces micro-trous noirs auraient été créés immédiatement après le Big Bang, pendant le temps de Planck (10-43 sec). Plus le trou noir est petit et plus il s’évapore vite et plus la température est élevée.

Les micro trous noirs pourraient s’évaporer sur une durée inférieure à l’âge de l’Univers, mais pour les trous noirs de fortes masses, la durée d’évaporation est des milliards de fois supérieure à cet âge. En 1997 Juan Maldacena, propose une théorie des champs conforme (en anglais conform field theory ou CFT) à partir d’une théorie de jauge. Elle va s’appeler la correspondance AdS/CFT pour Anti de Sitter/CFT. Elle donnerait une résolution formelle du paradoxe sans violer les lois de la Mécanique Quantique.

Stephen Hawking pense au début que l’information est perdue, puis au cours du temps, il admet qu’il s’est trompé. En 2005, Stephen Hawking admet que l’information n’est pas perdue, elle est redistribuée, et qu’il faut modifier la Relativité Générale mais pas la Mécanique Quantique.

On s’intéresse à l’unification des forces fondamentales. Irons-nous au-delà du modèle standard ? La super gravité (SUSY) n’a pas été confirmée. On s’oriente vers la gravité quantique par deux voies possibles :

  • réduire la géométrie aux champs : théorie des cordes
  • réduire les champs à la géométrie : gravitation à boucles.

Le compte rendu complet et la présentation sont disponibles sur le site web de Jean-Pierre Martin :

http://www.planetastronomy.com/special/2020-special/09oct/Luminet-SH-SAF.htm

Vous trouverez plusieurs ouvrages de Jean-Pierre Luminet à la bibliothèque de la SAF :

Eurêka : l’Univers selon Edgar Poe, traduit par Charles Baudelaire, présenté par Jean-Pierre Luminet
Dunod 2017, cote SAF 8451

Dialogues sous le ciel étoilé (Jean-Pierre Luminet et Hubert Reeves)
Robert Laffont 2016, cote SAF 8438

De l’infini – Horizons cosmiques, multivers et vide quantique
Jean-Pierre Luminet et Marc Lachièze-Rey, Dunod 2016, cote SAF 8411

L’univers en 100 questions
Tallandier 2015, cote SAF 8372

Ulugh Beg, l’astronome de Samarcande
JC Lattès 2015, cote SAF 8331

100 questions sur l’univers
La Boetie 2014, cote SAF 8307

Illuminations – cosmos et esthétique
Odile Jacob 2011, cote SAF 8152

Le destin de l’univers
Fayard 2010, cote SAF 8090

Les bâtisseurs du ciel
JC Lattès 2010, cote SAF 8078

Bonnes nouvelles des étoiles (Jean-Pierre Luminet et Elisa Brune)
Odile Jacob 2009, cote SAF 7953

La perruque de Newton
JC Lattès 2010, cote SAF 8030

La discorde céleste – Kepler et le trésor de Tycho Brahe
Le livre de poche 2008, cote SAF 7836