Le Nobel de physique remis à trois experts des trous noirs

Reinhard Genzel et Andrea Ghez dirigent des laboratoires concurrents, le premier à l’Institut Max-Planck de physique extraterrestre, et le second à l’université de Californie à Los Angeles. Les deux étudient le même objet astronomique, nommé Sagittarius A*, qui correspond au trou noir central de notre galaxie. Sur la photo, la zone de poussière, de gaz et d’étoiles dans laquelle se trouve Sagittarius A*.
Photo: A. Angelich (NRAO / AUI / NSF) ; NASA / JPL-Caltech / ESA / CXC / STScI (CC BY 3.0) Reinhard Genzel et Andrea Ghez dirigent des laboratoires concurrents, le premier à l’Institut Max-Planck de physique extraterrestre, et le second à l’université de Californie à Los Angeles. Les deux étudient le même objet astronomique, nommé Sagittarius A*, qui correspond au trou noir central de notre galaxie. Sur la photo, la zone de poussière, de gaz et d’étoiles dans laquelle se trouve Sagittarius A*.

Trois physiciens ont vu leur travail remporter l’ultime récompense, mardi. Le Britannique Roger Penrose, l’Allemand Reinhard Genzel et l’Américaine Andrea Ghez ont obtenu le prix Nobel de physique 2020 pour leur contribution exceptionnelle à notre compréhension des trous noirs. Certains scientifiques font remarquer qu’à leurs côtés, quelqu’un brille par son absence. Et ce quelqu’un, c’est Stephen Hawking.

« Je dirais que de donner le prix à Penrose revient aussi indirectement à le décerner à Stephen Hawking », a déclaré mardi l’astrophysicien Andreas Eckart, un ancien membre du groupe de recherche de Reinhard Genzel, en entrevue au magazine Nature. Le prix de cette année « honore l’immense effort que ces deux personnes [Penrose et Hawking] et leurs équipes ont mis dans l’interprétation théorique du phénomène des trous noirs », a poursuivi celui qui est rattaché à l’Université de Cologne, en Allemagne.

Le prix Nobel de physique peut être partagé chaque année par un maximum de trois personnes. Par ailleurs, il n’est jamais décerné à titre posthume. Hawking, décédé le 14 mars 2018, ne fera donc jamais partie du club hyper sélect des nobélisés — à moins d’un éventuel changement de règles.

« Comment diviser le prix Nobel est, évidemment, une question très politique », ajoute Lee Smolin, un physicien théorique de l’Institut Perimeter, en Ontario, qui voue une grande admiration à son collègue Penrose. « J’aurais été heureux de voir un prix pour Stephen [Hawking] et Roger [Penrose], comme il a été souvent évoqué », poursuit-il en entrevue au Devoir, tout en se disant néanmoins « très heureux » de l’annonce de mardi. Penrose est, selon lui, le plus grand physicien théorique de la seconde moitié du XXe siècle.

Zoom sur Penrose

En 1965, Roger Penrose, alors âgé de seulement 34 ans, établissait un nouveau théorème montrant que des étoiles très massives s’effondrant sur elles-mêmes donnaient naissance à des « singularités », c’est-à-dire à des points d’une densité infinie. Ces lieux étranges, qui ne cadrent pas dans la plupart des théories physiques, sont contenus à l’intérieur d’un « horizon » duquel aucune matière ni aucun signal ne peuvent s’échapper.

Déjà avant Penrose, des physiciens avaient déduit l’existence de ce qu’on appelle maintenant les trous noirs, mais leurs calculs exigeaient une sphéricité parfaite — ce qui est impossible dans la réalité. À l’époque, les singularités « pouvaient être interprétées comme un artifice », reconnaît David Sénéchal, un professeur de physique à l’Université de Sherbrooke s’intéressant de près à la théorie de la relativité générale.

Penrose était toutefois armé d’outils mathématiques dont la plupart des physiciens ne disposaient pas à l’époque. Il a montré que la formation d’une singularité était en réalité un processus très robuste. Quand Stephen Hawking a été mis au parfum du théorème révolutionnaire de Penrose, il l’a adapté pour une utilisation dans un contexte cosmologique.

En plus de son travail sur les trous noirs, Roger Penrose a aussi découvert des formes géométriques étonnantes, aujourd’hui appelées « pavages de Penrose », qui permettent de couvrir une surface sans répétition de motif. Ces formes ont par la suite été aperçues à l’échelle microscopique dans certains matériaux naturels. Le mathématicien touche-à-tout a aussi élaboré une théorie de la conscience humaine fondée sur la mécanique quantique. Il a notamment détaillé cette idée controversée scientifiquement dans le livre grand public The Emperor’s New Mind, en 1989.

Deux astronomes récompensés

La seconde moitié du prix est partagée à parts égales (25 % chacun) par les astronomes Reinhard Genzel et Andrea Ghez. Cette dernière devient ainsi la quatrième femme lauréate du prix en physique. C’est grâce à leurs prouesses expérimentales que nous avons pu observer clairement, pour la première fois, que les étoiles de la Voie lactée tournent autour d’un trou noir quatre millions de fois plus massif que le Soleil.

« Ils ont étudié le cœur de notre galaxie », résume Marie-Lou Gendron-Marsolais, une chercheuse postdoctorale à l’Observatoire européen austral, au Chili. Leur découverte est très importante, explique cette astronome spécialiste des trous noirs, parce que le centre des autres galaxies est beaucoup trop loin pour effectuer des observations semblables. « Ce sont vraiment des observations fondamentales », ajoute-t-elle.

M. Genzel et Mme Ghez dirigent des laboratoires concurrents, le premier à l’Institut Max-Planck de physique extraterrestre, et le second à l’Université de Californie à Los Angeles. Ils étudient le même objet astronomique, nommé Sagittarius A*, qui correspond au trou noir central de notre galaxie. Leur objectif commun était de mesurer la vitesse et le rayon de la rotation des étoiles les plus rapprochées de Sagittarius A* afin de déduire la taille maximale de la région contenant le supposé trou noir supermassif.

Pour faire des percées dans ce champ à la fine pointe de la recherche, les astronomes doivent toujours développer de nouveaux instruments et de nouvelles méthodes d’analyse. Andrea Ghez est une championne en la matière. Dans un article publié en 2013 dans la revue Science, M. Genzel disait d’ailleurs de sa rivale qu’elle fait partie d’une « rare classe d’aventuriers » qui n’hésitait jamais à tenter quelque chose de nouveau.

Mme Ghez a notamment contribué à l’élaboration de la technique de « l’optique adaptative », qui permet de déformer en temps réel le miroir du télescope pour compenser les perturbations imposées par le passage des rayons d’étoile dans l’atmosphère terrestre.

Le couronnement de M. Genzel et de Mme Ghez prolonge une séquence de réussite dans la niche des trous noirs.

À voir en vidéo