Cienciaes.com : Mini-trous noirs et relativité. Nous avons parlé avec Germán Fernández.

Peut-on créer des mini trous noirs ?

Poursuivant les programmes visant à célébrer le centenaire de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, nous avons invité aujourd’hui Germán Fernández Sánchez, docteur en sciences physiques, collaborateur de CienciaEs.com et ancien chercheur au Laboratoire européen de physique des particules (CERN). Nous avons parlé avec lui des accélérateurs de particules, de la relativité et d’un sujet qui a suscité certaines craintes, la possibilité de création de mini trous noirs dans le LHC.

Grand collisionneur de hadrons (LHC)

Construit entre la France et la Suisse près de Genève se trouve le Grand collisionneur de hadrons (LHC), un immense accélérateur constitué d’un anneau de 27 kilomètres de diamètre à l’intérieur duquel circulent deux faisceaux de particules, dans des directions opposées, qui sont accélérées à des vitesses proches de celles de la lumière avant d’entrer en collision. Cet instrument scientifique, considéré comme « la plus grande machine du monde », révèle les secrets les plus intimes de la matière. Cependant, son existence et surtout les améliorations successives qui lui permettent d’atteindre des énergies inimaginables, n’ont pas été exemptes des appréhensions que, plus fréquemment qu’on ne le souhaiterait, certaines expériences scientifiques tendent à susciter. L’une de ces « craintes » évoque la possibilité que, dans le LHC Des « mini trous noirs » pourraient être créés qui, selon certains, pourraient mettre la Terre en danger. Aujourd’hui, nous allons essayer de clarifier ces choses avec Germán Fernández Sánchez.

Les forces fondamentales de la Nature

La gravité est une force extrêmement faible, comparée aux autres forces de la nature, la force électromagnétique, la force nucléaire forte et la force nucléaire faible, qui, bien qu’elle soit qualifiée de « faible », est plus d’un quadrillion de fois (1025) plus intense que la gravité. . Dans le monde macroscopique, nous ressentons principalement la gravité car, d’une part, les forces nucléaires sont à courte portée et n’agissent qu’à une échelle microscopique. D’autre part, bien que la force électromagnétique soit un sextillion de fois (1036) plus intense que la gravité, les charges positives du noyau des atomes et les charges négatives des électrons à l’extérieur sont compensées, les atomes sont électriquement neutres. Ce n’est qu’en cas de déséquilibre entre les charges que nous ressentons la force électromagnétique dans toute son ampleur. D’un autre côté, malgré sa faiblesse, nous ressentons la gravité en raison de l’énorme quantité de masse que possède la Terre.

Les particules élémentaires sont les plus petites entités de l’univers et leurs effets gravitationnels sont donc négligeables. Il semble que la gravité soit réservée aux objets très massifs et c’est pourquoi la théorie de la relativité générale d’Einstein est particulièrement visible dans les objets très massifs, comme cela a été démontré dans les programmes que nous avons diffusés au cours de cette année 2015. Nous y avons parlé sur l’application de la Relativité Générale pour expliquer l’avancée du périhélie de Mercure, la courbure de l’espace-temps autour d’objets très massifs comme les étoiles à neutrons ou les trous noirs, les lentilles gravitationnelles générées par les étoiles et les galaxies, etc.

Les scientifiques étudient le comportement des particules les plus élémentaires de l’univers grâce à des machines appelées accélérateurs de particules. Un accélérateur est un dispositif conçu pour augmenter la vitesse d’un faisceau de particules de manière continue jusqu’à ce qu’il atteigne des vitesses extraordinaires, pouvant être proches de celle de la lumière. Einstein avait démontré avec la première de ses théories, la Théorie restreinte de la relativité, publiée en 1905, que la masse des corps est une forme d’énergie stockée. Sa formule bien connue E=mc2 montre l’équivalence entre l’énergie (E) et la masse (m) d’un corps. Lorsqu’une particule est accélérée, sa vitesse augmente et plus elle est rapide, plus elle transporte d’énergie. Une balle tirée par une arme à feu a la même masse qu’une balle au repos mais son énergie est plus grande, suffisante pour tuer une personne.

Cependant, la relativité nous a appris qu’un corps ne peut pas augmenter sa vitesse à l’infini, qu’il existe une limite et que cette limite est la vitesse de la lumière ©. Si tel est le cas, en supposant que nous puissions communiquer continuellement de l’énergie à une particule, que se passerait-il ? Si l’énergie ne se traduit pas par une augmentation de la vitesse, où s’arrête-t-elle ? Einstein a trouvé la solution : à mesure que la particule s’approche de la limite, une partie de l’énergie fournie est convertie en masse. La particule devient plus lourde, plus difficile à accélérer, comme si pousser une souris, à mesure qu’elle prend de la vitesse, se transformait en éléphant.

Pourriez-vous augmenter la masse d’une particule dans un accélérateur de particules au point que sa gravité serait appréciable ?

Les calculs théoriques montrent que pour que les effets de la gravité soient perceptibles dans un accélérateur de particules, il faudrait atteindre une énergie comparable à l’énergie dite de Planck, de l’ordre de 1016 TeV. Gardez à l’esprit que le plus grand accélérateur qui existe actuellement, le Large Hadron Collider (LHC), elle ne peut atteindre que 14 TeV, soit environ mille milliards de fois moins que l’énergie de Planck. Pourtant, selon certaines théories des cordes, cette énergie pourrait être inférieure.

Trous noirs et mini-trous noirs

Un trou noir est un objet très dense dont la gravité est si intense que même la lumière ne peut en échapper. On sait qu’au centre de la Voie lactée se trouve un trou noir supermassif, connu sous le nom de Sagittaire A, qui accumule une masse supérieure à 4 000 millions de soleils. Le Sagittaire A est parfois présenté comme un monstre dévorant les étoiles, qu’il dévore sans pitié, même si la réalité est bien différente et bien moins dramatique. Avec cet exemple, on pourrait penser qu’une masse énorme est la seule capable de générer suffisamment de gravité pour former un trou noir, mais ce n’est pas le cas, en fait, plus que la masse, la densité règne. Je vous propose un exercice d’imagination. Imaginez-vous debout à la surface du Soleil (protégez-vous de la chaleur pendant l’expérience), là-bas la gravité de l’étoile est 28 fois supérieure à celle de la Terre. Imaginons maintenant que nous comprenions le Soleil pour que toute sa masse soit concentrée dans une sphère plus petite. En surface, la gravité augmenterait car nous serions plus proches du centre. Selon ce raisonnement, en comprimant de plus en plus le Soleil, la gravité continuerait de croître jusqu’à un point où elle serait si intense que rien, pas même la lumière, ne pourrait s’échapper. Le Soleil deviendrait un trou noir. Les calculs montrent que cette taille théorique est inférieure à trois kilomètres.

On pourrait faire la même chose avec la Terre mais, dans ce cas, comme elle a moins de masse, il faudrait la comprimer jusqu’à ce qu’elle soit entièrement réduite à un volume inférieur à un centimètre. Il faudrait que la Terre concentre toute sa masse dans le volume d’une bille pour devenir un trou noir ! Avec l’exemple précédent, il est clair qu’un trou noir peut être, du moins en théorie, de n’importe quelle taille. Ainsi, si nous pouvons transmettre de l’énergie à une particule en mouvement de telle manière que sa masse augmente, elle pourrait, du moins en théorie, acquérir suffisamment de masse pour devenir un minuscule trou noir. Un mini-trou noir.

Poursuivant notre descente sur l’échelle exprimée avec les exemples du Soleil et de la Terre, un mini trou noir (on les appelle aussi micro-trous) aurait une taille minuscule, plus petite que n’importe quelle particule élémentaire, si petite qu’il ne le serait probablement jamais. en contact avec aucune masse autour de lui et donc il ne pouvait pas l’absorber et croître. Cela nous rassure car si, comme le suggèrent certains prophètes de malheur prêts à imputer tous les maux à la science, le LHC S’il était capable de créer un mini-trou noir, il serait si infiniment petit qu’il pourrait traverser la Terre entière sans toucher un seul atome, puisque les atomes sont pratiquement des espaces vides. Pour cette raison, il ne pourrait pas croître et s’échapperait dans l’espace. Un autre facteur important est que plus un trou noir est petit, plus il est instable. Les trous noirs, selon la prédiction de Stephen Hawking, « s’évaporent » grâce à ce qu’on appelle le rayonnement de Hawking. Plus sa taille est petite, plus il s’évapore rapidement, de sorte qu’un trou noir microscopique disparaîtrait en une fraction de seconde, avant de pouvoir se développer.

D’un autre côté, des rayons cosmiques, dont l’énergie est des centaines de fois supérieure à celle des particules présentes sur Terre, entrent chaque jour en collision avec la Terre. LHC, et la Terre n’a pas été détruite. Pas même le Soleil qui, de par sa taille, reçoit 10 000 fois plus de rayons cosmiques que la Terre.

Je vous invite à écouter Germán Fernández Sánchez, docteur en physique et auteur des podcasts « El Neutrino » et « Zoo de Fósiles » de CienciaEs.com