Que voyons-nous en tombant dans un trou noir ?

Les trous noirs sont des objets célestes extrêmement denses ayant une gravité tellement puissante qu'ils attirent tout ce qui se trouve à proximité, y compris la lumière. On pense que les trous noirs peuvent être formés de différentes façons, mais la manière la plus commune est à partir de l'effondrement d'une étoile massive à la fin de sa vie.

On sait aujourd'hui que notre univers contient une multitude de trous noirs. Ils sont très lointains et ne présentent aucun danger pour nous. Mais

Saggitarius A (@EHT - 2022)

À l’aide d’un vaisseau spatial, on s’en approche jusqu’à une distance raisonnable, et l’on saute dans le vide de l’espace. Ici commence notre chute. Elle durera environ une heure, et nous sera fatale.

Le vaisseau quant à lui reste stationné, en orbite autour du trou noir, et nous regarde tomber.

On va imaginer que notre casque possède une visière permettant de diminuer la luminosité du disque, pour qu’on puisse observer les détails ainsi que les étoiles en arrière-plan. Dans un premier temps, on remarque que le disque est bleu. Parmi tout le spectre électromagnétique qu’il produit, notre visière ne laisse passer que la lumière visible celle que nos yeux peuvent voir. Dans ce domaine, le disque émet davantage de bleu, car cette couleur est plus énergétique. C’est le même effet qui donne leur teinte bleutée aux étoiles très chaudes.

En regardant le trou noir, on note que l’arrière du disque semble déformé, comme s’il se repliait autour de l'horizon, formant un anneau de lumière.

Ceci est dû à la forte gravité du trou noir, qui dévie les rayons lumineux, agissant comme une lentille gravitationnelle. En regardant dans une direction, on observe des objets qui sont en réalité situés ailleurs. Enfin, les étoiles en arrière-plan nous semblent très légèrement bleutées. Pour cause, on ne s'en rend pas compte, mais le trou noir déforme le temps, si bien que notre horloge tourne légèrement plus lentement que celle des étoiles lointaines. Par rapport à notre horloge, la lumière des étoiles nous semble légèrement accélérée, si bien qu’elle nous paraît décalée vers le bleu. Étonnamment, pendant les 10 premières minutes de chute, on a l’impression que le trou noir s’éloigne.

Pourtant, on s'en rapproche de plus en plus vite. On reçoit la lumière du disque depuis une certaine direction, mais parce qu'on se déplace vers le trou noir, les rayons nous semblent arriver depuis une direction différente, contractée vers l’avant. C'est le phénomène d'aberration de la lumière.

Après ces 10 premières minutes, on tombe désormais très rapidement et le trou noir commence à grossir dans notre champ de vision. Notre vitesse augmente, et on reçoit la lumière devant nous avec de plus en plus d’intensité, tandis que la lumière derrière nous semble de plus en plus sombre.

Il s’agit de l’effet Doppler : en tombant vers le trou noir, on rattrape la lumière qui arrive devant nous, alors que la lumière derrière nous a de plus en plus de mal à nous atteindre. Si l’on se retourne, on remarque également que l’horloge du vaisseau derrière nous semble tourner de plus en plus lentement. L’effet est léger, mais tout de même perceptible. Ceci est également dû à l’effet Doppler. Les rayons mettent de plus en plus de temps à nous parvenir. Les minutes défilent, et on survole peu à peu le disque de matière.

Après 57 minutes de chute, le disque semble s’estomper.

On vient d’atteindre la distance au-delà de laquelle la matière n’est plus capable de rester en orbite autour du trou noir. La gravité est si intense, qu’à cette distance le plasma se met à spiraler très rapidement vers l'horizon.

Maintenant, les choses vont s’accélérer de plus en plus...

Seulement 2 minutes plus tard, nous sommes deux fois plus proches de l’horizon. Ici, toute la lumière qui provient de l'extérieur est destinée à tomber dans le trou noir. C’est ce qu’on appelle la sphère de photons. À cette distance précise, la lumière peut même rester en orbite autour de l'astre.

A mesure que l'on s’approche de l’horizon, les passagers qui sont restés dans le vaisseau voient notre l’image s'estomper, et ralentir peu à peu jusqu’à se figer sur l’horizon. La lumière que l'on émet a de plus en plus de mal à échapper au trou noir. Elle est reçue de plus en plus lentement, et s’estompe peu à peu. Le vaisseau ne nous verra jamais franchir l’horizon. Mais pour nous, seulement 24 secondes après avoir franchi la sphère de photons, il est temps d'atteindre l’horizon du trou noir. A partir de là, il nous sera impossible de revenir en arrière.

Qu’observe-t-on en franchissant l’horizon ?

De façon contre-intuitive… on n’observe rien de spécial. Il est d’ailleurs très difficile de savoir exactement à quel moment on a franchi l’horizon. On reçoit toujours la lumière des étoiles qui tombe avec nous. On voit encore le vaisseau qui est resté en orbite, et dans lequel l’horloge, même si elle semble ralentie, tourne toujours. Et on voit encore parfaitement notre corps, et notamment nos pieds, car même si la lumière est emportée vers le centre du trou noir, par rapport à nous elle peut tout à fait remonter, et atteindre nos yeux.

Il s’agit en réalité d’un principe fondamental : à l’échelle globale, l’espace-temps est courbé par le trou noir, et engendre ainsi cet horizon à l’intérieur duquel les objets sont déconnectés de l’extérieur. Mais à l’échelle locale, l’espace-temps est presque plat, et la courbure ne s’y fait pas ressentir, si bien que tout s’y comporte normalement.

Désormais, on se déplace extrêmement vite, si bien que la lumière qui arrive sur nos côtés, et même dans notre dos, nous semble provenir de l’avant. Notre champ de vision est contracté devant nous, et élargi dans notre dos. Notamment le vaisseau derrière nous semble grossir, alors qu’on s’en éloigne.

On a franchi l’horizon, comme si de rien n'était …

Mais à partir de maintenant, si l'on tente d’envoyer un signal vers l'extérieur, il ne parviendra jamais à destination. Sous l’horizon tout est destiné à tomber vers le centre, sans espoir de ressortir. Mais même en sachant que l'on va mourir, pour le moment tout va bien.… C’est au bout d’une trentaine de secondes, juste avant d’atteindre le centre du trou noir, qu’en l'intervalle d’un clignement d’œil, on ressent une force très puissante qui nous étire jusqu’à nous disloquer.

Notre tête est plus loin du centre que nos pieds, et la différence de gravité est telle que très vite notre corps se fait déchirer. Dans nos tous derniers instants, on a l’impression de toucher une surface plane, qui occupe la moitié de notre champ de vision. Comme si l'on tombait sur une planète complètement noire, tandis qu'un cercle de lumière s'intensifie autour de nous. Un dixième de seconde plus tard, les restes de notre corps déchiquetés atteignent le centre du trou noir.

Notre voyage s’arrête ici ...