Très bon film (pour ceux qui aiment la science fiction), situé à mi-chemin entre 2001 l’Odyssée de l’espace de StanleyKUBRICK et Une brève Histoire du temps de Stephen HAWKING.
L’histoire en deux mots (ne pas lire si vous souhaitez découvrir le film au cinéma)
Le scénario utilise l’éternelle trame du film américain (voir Le triste scénario christique du block-buster américain) : Christopher NOLAN, à son tour, revisite la Bible : l’humanité a péché par arrogance : elle a abusé du Jardin d’Eden, devenu terre stérile où ne pousse plus que du maïs. Elle va bientôt en être chassée à force de sécheresses et de nuages de poussière. Un élu, un certain COOPER ancien pilote de la NASA reconverti dans l’agriculture, va emmener l’expédition de la dernière chance. Son sacrifice, tout au bout de son chemin de croix, va sauver l’humanité… Bref, un scénario mille fois servi par nos amis américains. Mais l’intérêt du film n’est sans doute pas que là…
Une brève histoire du temps
Il est clair que Christopher NOLAN a lu le chef-d’œuvre de vulgarisation scientifique de Stephen HAWKING. Il utilise en effet les dernières connaissances en termes d’astrophysique : la relativité du temps, l’existence des trous noirs et des trous de vers, pour faire voyager ses personnages aux confins du cosmos.
La relativité du temps
Einstein, dans son article de 1906, a montré en effet que le temps que l’on croyait jusque-là absolu est en fait relatif. Ainsi un jumeau quittant la terre à la vitesse de la lumière vieillirait moins vite que son frère resté sur terre. C’est le fameux “paradoxe des jumeaux” bien illustré dans le film. Le temps est relatif à la vitesse mais aussi à la gravité. Il est donc acceptable de faire vieillir le héros (interprété par Matthew Mac-Conghley) moins vite que sa fille.
Trous de ver (Wormhol) et trous noirs
Le salut de l’humanité prend la forme de planètes potentiellement habitables, situées, dans une autre galaxie. Or, on le sait, la plus proche galaxie, Andromède, est située à plusieurs années-lumières de la terre. Elle est hors d’atteinte avec nos petits moyens (qui n’atteignent que d’infimes fractions de la vitesse de la lumière) dans un temps raisonnable (il faudrait sans doute plusieurs centaines de milliers d’années)… Sauf à utiliser l’étrange trou de vers proposé par NOLAN. Il s’agit d’un objet, effectivement prévu par la théorie de la relativité générale d’Einstein, qui permet de “plier l’espace-temps”. Cela mérite quelques explications.
L’espace n’est en effet pas constituée de trois dimensions, mais de quatre
- les trois de l’espace, dans lesquelles on peut se déplacer à notre guise ;
- et le temps, caractérisé par son asymétrie : comme il est dit dans le film, on peut l’accélérer, le ralentir, mais jamais revenir en arrière. Passé et présent ne sont donc pas symétriques.
Proche d’un objet massif (le soleil par exemple), la gravité devient importante et “courbe” l’espace-temps, c’est à dire que le temps se contracte. Cette contraction n’est pas le fruit d’un cerveau dérangé. Elle bien réelle et même prise en compte par le système GPS bien connu des utilisateurs de smart-phone : Ainsi, en orbite autour de la terre, la gravité est plus faible qu’à sa surface. Les satellites GPS doivent prendre en compte l’étirement du temps lié à la différence de gravité entre la stratosphère et la surface pour que leur géolocalisation soit correcte.
Un trou noir est un objet hyper-massif (la masse de dizaines de soleils dans une sphère de moins de trois kilomètres). Sa densité est si importante qu’à l’intérieur la gravité est phénoménale. Rien ne peut en sortir, même pas la lumière, d’où son nom de trou noir. L’étirement du temps qu’il provoque est proportionnel à sa gravité.
D’où une première erreur dans le film : un homme tombant dans un trou noir serait étiré comme un spaghetti, en raison de la différence de gravité entre ses pieds (proche du centre du trou noir) et sa tête (un peu plus éloignée).
Le trou de ver est un trou noir un peu particulier. Au lieu de déboucher sur l’arrêt du temps (lorsque la gravité devient infinie), il ouvrirait (au conditionnel car bien entendu il s’agit là d’hypothèses) une porte sur un autre univers. En effet, certains modèles proposent l’existence d’une multitude d’univers (les multivers) dont le nôtre ne serait qu’un cas particulier. Mais, là encore, il ne s’agit que d’une hypothèse parmi d’autres étant donné qu’on ne peut et on ne pourra jamais voir ces autres univers. Par ailleurs, si la théorie n’interdit pas l’existence du tour de vers, elle n’explique pas sa formation.
D’où une seconde erreur dans le film : le trou de ver débouche dans une autre galaxie, située dans notre univers, ce qu’exclut la théorie : cela supposerait la possibilité du voyage dans le temps que l’on pense (pour l’instant) impossible.
L’image proposée du trou noir (Gargantua) est également contestable ; il devrait se présenter sous la forme d’un disque parfaitement noir dont la circonférence serait extrêmement lumineuse : cette circonférence est “l’horizon des événements (ou Event Horizon)”, comme indiqué dans le film.
L’existence de cet horizon a notamment été mis en évidence par Stephen HAWKING et Roger PENROSE). Au-delà de cette limite, on ne peut plus sortir du trou noir, quelque soit la puissance des moteurs utilisés.
D’où une troisième erreur dans le film : manifestement, Anne HATHAWAY parvient à s’échapper du trou noir en utilisant toute la puissance de son vaisseau…
L’intérieur du trou noir
On est là dans du pur cinéma : la gravité, selon NOLAN, permettrait de voyager le long de la quatrième dimension, le temps. COOPER peut ainsi agir sur des événements passés. On tombe alors dans le fameux paradoxe du grand-père : si COOPER parvenait à tuer son jeune aïeul, il ne pourrait pas naître et donc ne pourrait pas tuer son grand-père. Ou bien, si on reprend la trame du film, Si COOPER réussissait à convaincre sa fille de ne pas partir, il ne partirait pas et serait incapable de la convaincre. Portant, COOPER paervient à inter-agir avec le passé…
Problème insoluble que Christopher NOLAN a résolu à sa façon.
Le temps ralentit au voisinage des trous noirs Les trous noirs ne font pas que dévier les rayons lumineux et causer des mirages gravitationnels. Le temps s’écoule plus lentement au fur et à mesure que l’on s’approche d’eux. Dans Interstellar, celui que l’on nomme Gargantua semble au moins de la grosseur du Soleil, si l’on en juge par la taille des exoplanètes dont la masse est de l’ordre de celle de la Terre et que l’on voit à son voisinage. Si le Soleil devenait un trou noir, ce qui est impossible, son diamètre serait de moins de 10 km. En revanche, un tel astre compact, contenant 50 millions de masses solaires, engloberait l’orbite terrestre. Gargantua est donc certainement supermassif, ce qui veut dire que les forces de marée proches de son horizon sont faibles. On peut donc imaginer que, comme dans le film, une exoplanète puisse s’y maintenir intacte sans être détruite par ces forces de marée. L’écoulement du temps y serait donc plus lent, ce qui, en principe, rend compte du décalage temporel évoqué dans le film, à savoir qu’une heure passée à la surface de l’exoplanète correspond à quelques années loin du trou noir (bien que l’on puisse avoir des doutes sur la valeur exacte de ce décalage pour une exoplanète effectivement capable d’exister à proximité de l’horizon d’un trou noir supermassif en rotation). Le mystère quantique de l’intérieur des trous noirs Les forces de marée de Garguantua étant faibles, on devrait pouvoir traverser son horizon sans encombre et plonger au cœur du trou noir comme le fait le héros, Joseph Cooper. Mais au fur et à mesure que l’on approche de son centre, dans le cadre de la relativité générale classique, ces forces deviendraient de plus en plus fortes et chaotiques, étirant, malaxant puis mettant en pièces l’astronaute et sa navette. En définitive, ce qu’il y a au centre d’un trou noir, nous ne le savons pas. Pionniers de la gravitation et de la cosmologie quantique à boucles, Carlo Rovelli et Francesca Vidotto ont récemment renouvelé le concept de trou noir en le remplaçant par celui d’étoile de Planck. La singularité centrale des trous noirs y serait éliminée car elle était un artefact d’un traitement classique, non quantique, de la géométrie de l’espace-temps à petite échelle. Pionniers de la gravitation et de la cosmologie quantique à boucles, Carlo Rovelli et Francesca Vidotto ont récemment renouvelé le concept de trou noir en le remplaçant par celui d’étoile de Planck. La singularité centrale des trous noirs y serait éliminée car issue d’un artefact de traitement classique, non quantique, de la géométrie de l’espace-temps à petite échelle. © Patrimoine de l’Institut international des sciences théoriques, Francesca Vidotto. Par nature, l’horizon des événements agit comme une membrane que l’on ne peut traverser que dans un seul sens. Aucune sonde pénétrant dans ce trou noir ne pourrait donc en ressortir ni même simplement envoyer des informations sur ce qu’il contient car il faudrait pouvoir dépasser le vitesse de la lumière. Dans le cadre des équations d’Einstein, ce centre doit coïncider avec une singularité de l’espace-temps dont la courbure tend vers l’infini à mesure que l’on s’en approche, tandis que temps et espace cessent d’exister. Il est probable cependant que des effets quantiques entrent en ligne de compte lorsque la matière formant le trou noir se trouve rassemblée dans une région où elle atteint la densité de Planck, gouvernée par les lois de la gravitation quantique. De même que la mécanique quantique stoppe l’effondrement des électrons sur le noyau des atomes, elle stopperait l’effondrement de l’espace et de la matière à l’intérieur des trous noirs, éliminant l’occurrence d’une singularité. On serait alors en présence d’astres compacts que l’on devrait baptiser étoiles de Planck, comme l’ont proposé Carlo Rovelli et Francesca Vidotto dans une publication sur arxiv cette année.
Les trous noirs en rotation, de fabuleux réservoirs d’énergie Un autre effet de la physique des trous noirs présenté dans le film de Nolan concerne ce que l’on appelle le processus de Penrose. Il est mis en pratique par les héros d’Interstellar afin de bénéficier d’un effet d’assistance gravitationnelle particulièrement efficace. Comme l’a montré en 1969 le grand mathématicien et physicien Roger Penrose, il est possible d’utiliser l’énergie associée à la rotation d’un trou noir de Kerr. Il suffit pour cela de pénétrer dans l’ergosphère d’un tel trou noir. Il s’agit d’une région au-delà de l’horizon des événements en dehors du trou noir où l’espace-temps lui-même est en quelque sorte emporté par sa rotation. Une illustration du processus de Penrose. Un objet d’énergie totale E0, y compris celle liée à sa masse par la relation d’Einstein pénètre dans l’ergosphère d’un trou noir en rotation entourant son horizon des événements (<em>event horizon</em>). L’objet se scinde en deux parties dont l’une peut émerger de l’ergosphère avec une énergie supérieure à celle possédée initialement par l’objet. Une illustration du processus de Penrose. Un objet d’énergie totale E0, y compris celle liée à sa masse par la relation d’Einstein pénètre dans l’ergosphère d’un trou noir en rotation entourant son horizon des événements (event horizon). L’objet se scinde en deux parties dont l’une peut émerger de l’ergosphère avec une énergie supérieure à celle possédée initialement par l’objet. © Daniel Nagasawa En théorie, on peut extraire au moins autant d’énergie que celle équivalant à la masse d’une partie d’un vaisseau spatial, ce qui est énorme, en laissant tomber celle-ci en direction du trou noir. Seulement 0,6 % de la masse d’une étoile comme le Soleil peut être convertie en énergie par la fusion thermonucléaire. Mais avec un trou noir en rotation à vitesse maximale, c’est 29 % de sa masse sous forme d’énergie de rotation qui peut être extraite grâce au processus de Penrose. Outre la physique des trous noirs, Interstellar fait aussi entrer en jeu celle des trous de ver, ainsi que celle de l’espace et du temps d’êtres vivants en cinq dimensions. On y parle d’un mystérieux « bulk » et les lois de causalité semblent faire dépendre le passé du futur. Nous y reviendrons dans un prochain article.