Que se passe-t-il si l'on tombe dans un trou noir ? Un voyage pas à pas au-delà de l'horizon des événements
Un trou noir est un endroit où la gravité est si forte qu'au-delà d'une certaine distance, rien ne peut en ressortir, pas même la lumière. Cette frontière, c'est l'horizon des événements. Alors, que vous arriverait-il vraiment si vous tombiez dedans ?
La réponse est surprenante : cela dépend presque entièrement de la taille du trou noir. Près d'un petit, vous seriez mis en pièces bien avant d'en approcher. Près d'un géant, vous pourriez franchir le point de non-retour sans rien ressentir du tout. Suivons la chute pas à pas, avec de vrais trous noirs et de vrais chiffres.
Trois vrais trous noirs où tomber
- Gaia BH1 : environ 9,6 fois la masse du Soleil, à environ 1 560 années-lumière, le trou noir le plus proche connu (El-Badry et al. 2023). Son horizon des événements n'a qu'un rayon d'environ 28 km : on pourrait le traverser en voiture en une demi-heure.
- Sagittarius A* (Sgr A*) : le trou noir supermassif au centre de notre Voie lactée, d'environ 4,3 millions de masses solaires, à environ 27 000 années-lumière. Le rayon de son horizon est d'environ 12,7 millions de km, quelque 18 fois le rayon du Soleil. L'Event Horizon Telescope en a publié la première image en 2022.
- M87* : le géant au cœur de la galaxie M87, d'environ 6,5 milliards de masses solaires, le premier trou noir jamais photographié (2019). Le rayon de son horizon vaut environ 128 fois la distance Terre–Soleil, à peu près trois fois plus loin que l'orbite de Pluton.
Le rayon de l'horizon est directement proportionnel à la masse : environ 2,95 km par masse solaire (le rayon de Schwarzschild, 2GM/c²).
Étape 1 : l'approche, et le ciel commence à se courber
Bien avant qu'il n'arrive quoi que ce soit à votre corps, vous remarqueriez le paysage. Un trou noir courbe la lumière autour de lui : les étoiles situées derrière sont étirées en arcs et en anneaux. Le disque sombre que vous voyez, l'ombre du trou noir, est environ 2,6 fois plus large que l'horizon lui-même, car la lumière qui passe trop près est capturée. C'est exactement le centre sombre à l'intérieur de l'anneau lumineux des images de l'Event Horizon Telescope.
À mesure que vous tombez, l'ombre occupe une place de plus en plus grande dans votre champ de vision, et l'image déformée du reste du ciel se resserre dans une portion plus petite.
Étape 2 : les marées, et le problème des petits trous noirs
Ce qui vous tue, ce n'est pas la gravité elle-même, mais la différence de gravité d'un bout à l'autre de votre corps. Vos pieds, plus proches du trou noir, sont attirés plus fort que votre tête. Cet étirement s'appelle la spaghettification.
Près d'un petit trou noir, l'effet est brutal. Pour un trou noir de 10 masses solaires comme Gaia BH1, l'étirement sur une personne de 2 mètres atteint environ 100 g à quelque 1 700 km du centre, bien à l'extérieur de l'horizon, et grimpe jusqu'à environ 20 millions de g à l'horizon. Vous seriez réduit en un filet d'atomes bien avant de le franchir.
Près d'un trou noir supermassif, les marées sont douces, car l'horizon est très loin du centre. À l'horizon de Sgr A*, l'étirement sur votre corps est d'environ un dix-millième de g : bien moins que ce que vous ressentez dans un ascenseur. À M87*, il est plus faible encore.
Étape 3 : franchir l'horizon des événements
Voici la partie la plus étrange. Si vous tombez dans Sgr A*, il ne se passe rien de particulier à l'horizon. Pas de mur, pas d'éclair, aucun signe. Votre montre continue de tourner normalement et vous ne ressentez rien d'inhabituel. L'horizon n'est pas un objet ; c'est simplement l'endroit où tous les chemins vers l'extérieur se sont retournés vers l'intérieur.
Un ami qui vous observe de loin voit une tout autre histoire. Vos signaux lui parviennent de plus en plus lentement, de plus en plus rouges et faibles, à mesure que vous approchez de l'horizon. Il ne vous voit jamais le franchir réellement : vous semblez vous figer et vous fondre dans l'obscurité. Les deux points de vue sont justes. C'est cela, la relativité générale.
Étape 4 : les dernières secondes
Une fois à l'intérieur, le futur pointe vers le centre, la singularité, aussi sûrement que demain suit aujourd'hui. Allumer des fusées n'y change rien ; cela vous y amène seulement plus tôt.
De combien de temps disposez-vous ? Pour une chute commencée de très loin, le temps indiqué par votre propre montre entre le franchissement de l'horizon et l'arrivée au centre est de :
- environ 66 millionièmes de seconde pour un trou noir de 10 masses solaires,
- environ 28 secondes pour Sagittarius A*,
- environ 12 heures pour M87*.
Vers la fin, les forces de marée croissent sans limite, même dans un trou noir géant, et la spaghettification finit par vous rattraper. Ce qui se passe à la singularité elle-même est inconnu : elle marque l'endroit où nos théories actuelles cessent de fonctionner.
Alors, petit ou grand ?
Si vous devez un jour choisir, choisissez le grand. Un petit trou noir vous met en pièces à l'extérieur de l'horizon. Un trou noir supermassif vous laisse franchir le point de non-retour intact, regarder autour de vous pendant une demi-minute et contempler un paysage que personne n'a jamais vu.
Vous pouvez essayer les deux dès maintenant dans le simulateur Tomber dans un trou noir, qui calcule en temps réel les trajets de la lumière et votre horloge pour Sgr A*, M87* et Gaia BH1.
Questions fréquentes
Peut-on survivre à une chute dans un trou noir ? Pas longtemps. Près d'un petit trou noir, les forces de marée vous mettraient en pièces avant que vous n'atteigniez l'horizon des événements. Près d'un trou noir supermassif comme Sagittarius A*, vous pourriez franchir l'horizon indemne, mais plus rien ne peut ensuite vous empêcher d'atteindre la singularité, environ une demi-minute plus tard.
Qu'est-ce que la spaghettification ? L'étirement d'un objet par les forces de marée : la gravité tire plus fort sur la partie de votre corps la plus proche du trou noir que sur la partie la plus éloignée ; vous êtes donc étiré dans le sens de la chute et comprimé sur les côtés.
Quelque chose peut-il s'échapper une fois l'horizon des événements franchi ? Non. À l'intérieur de l'horizon, tous les chemins possibles, même ceux de la lumière, mènent vers l'intérieur. C'est ce qui définit l'horizon.
Combien de temps faut-il pour atteindre la singularité ? Cela dépend de la masse du trou noir. Pour une chute commencée de très loin, il s'écoule environ 28 secondes de votre propre temps entre l'horizon et la singularité de Sagittarius A*. Pour un trou noir de 10 masses solaires, c'est environ 66 millionièmes de seconde ; pour M87*, environ 12 heures.
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Sources
- Event Horizon Telescope Collaboration (2022), First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. I, ApJL 930, L12: image of Sgr A*, mass about 4 million Suns. doi:10.3847/2041-8213/ac6674
- GRAVITY Collaboration (2019), A geometric distance measurement to the Galactic center black hole with 0.3% uncertainty, A&A 625, L10: mass 4.15 million Suns, distance 8.18 kpc (about 26,700 light-years); later work gives about 4.3 million. doi:10.1051/0004-6361/201935656
- Event Horizon Telescope Collaboration (2019), First M87 Event Horizon Telescope Results. I, ApJL 875, L1: mass 6.5 billion Suns. doi:10.3847/2041-8213/ab0ec7
- El-Badry et al. (2023), A Sun-like star orbiting a black hole, MNRAS 518, 1057: Gaia BH1, 9.6 solar masses, 480 pc. doi:10.1093/mnras/stac3140
- NASA Science, Black Holes. https://science.nasa.gov/universe/black-holes/
Les valeurs dérivées sont des résultats classiques de la métrique de Schwarzschild : rayon de l'horizon 2GM/c² (2,95 km par masse solaire) ; étirement de marée sur un corps de longueur L, 2GML/r³ ; durée de l'horizon au centre pour une chute commencée de très loin, (4/3)·GM/c³ ; rayon de l'ombre √27·GM/c², soit environ 2,6 rayons d'horizon. La rotation modifie légèrement ces valeurs.