Des moteurs à trous noirs pour vaisseaux spatiaux
Vous avez certainement entendu parler des hypothétiques mais inoffensifs micro-trou noirs que pourrait générer le Grand Collisionneur de Hadrons lors de ses expériences de collision de particules. Mais avez-vous déjà entendu parler de la propulsion spatiale par trous noirs artificiels ? Encore plus fou, cette méthode de propulsion d’un vaisseau interstellaire a été sérieusement débattue par les physiciens Louis Crane et Shawn Westmoreland, de l’Université du Kansas. Leurs réflexions, purement théoriques, imaginent comment nous pourrions utiliser une énergie phénoménale de ces minuscules trous noirs.
Selon les travaux de Hawking, les trous noirs ne sont pas véritablement noirs mais émettent un infime rayonnement auquel on peut associer une énergie et une température. La quantité d’énergie émise par un trou noir est négligeable, sauf si ce dernier est très petit (selon la loi de Stephan-Boltzmann, son énergie émise est inversement proportionnelle à son rayon au carré). Pour spéculer un peu plus clairement sur cette hypothèse, Crane et Westmoreland se basent sur les types de trous noirs les plus simples à décrire : les trous noirs de Schwarzschild. Un tel trou noir peut être construit mathématiquement en résolvant l’équation de champ d’Einstein de la relativité générale, et a une charge électrique et un moment angulaire nuls. De plus, un trou noir de Schwarzschild a une géométrie euclidienne (son horizon vaut 4πR²), qu’il ne faut pas confondre avec la géométrie de l’espace-temps déformée par le champ gravitationnel du trou noir, qui elle n’est pas euclidienne mais suit la métrique de Schwarzschild !
Représentation d'un trou noir de Schwarzschild
Qu’est-ce que le rayonnement d’Hawking d’un trou noir ? A l’horizon d’un trou noir, les forces générées par le champ gravitationnel du trou noir sont si intenses qu’elles peuvent séparer une particule de son antiparticule, avant qu’elles ne s’annihilent naturellement. L’une est absorbée par le trou noir, tandis que l’autre en est éjectée. Ceci crée une différence de potentiel. L’énergie des particules ainsi émises augmente avec la température du trou noir. La température de Hawking d’un trou noir est inversement proportionnelle à son rayon. Il nous faut donc un minuscule rayon pour obtenir un trou noir le plus « chaud » possible, émettant des particules les plus énergétiques possibles (on confirme intuitivement la loi de Stephan-Boltzmann citée précédemment).
Pour obtenir des trous noirs assez énergétiques, il nous faut nous pencher sur des trous noirs à l’échelle sub-atomique, c’est-à-dire présentant un rayon inférieur à un angström (10-10 m). Mais il ne faut pas perdre de vue qu’un trou noir finit par s’évaporer et émettant un fracassant flash d’énergie. Plus il est minuscule, plus il est énergétique, plus vite il s’évapore. Pour permettre d’accélérer un vaisseau spatial de manière constante à 1g , il faudrait consommer 3000 petawatts par million de tonne de masse du vaisseau. Un voyage de notre Terre jusqu’à Alpha Centauri, à 4 années-lumières d’ici, nécessiterait ainsi 3,5 ans pour les voyageurs (de part les lois de la relativité restreinte). Pour propulser notre vaisseau spatial, il nous faudrait un trou noir de 0,9 attomètres permettant d’accélérer sa propre masse jusqu’à 0,1c en 20 jours. Mais dans le cas d’une technologie spatiale compatible, l’inévitable perte énergétique en transformant l’énergie du trou noir en énergie cinétique pourrait radicalement augmenter les délais d’accélération. De plus, un trou noir de ce rayon risque d’exploser lors de son évaporation finale en fin de voyage. Il devient assez pressant de s’en séparer avant d’arriver à destination. L’idée consisterait donc à utiliser des trous noirs plus grands, de 1 à 6 attomètres, d’une masse de l’ordre du million de tonnes, afin de produire suffisamment d’énergie durant un temps de vie convenable. Un trou noir de 2,7 attomètres durerait près d’un siècle, et permettrait d’accélérer jusqu’à 0,1c en 18 mois sans pertes d’énergie. Il faudrait donc compter en années le temps d’accélération réel, selon les performances du moteur à trou noirs.
Il reste tout de même un point important à résoudre. Comment créer ces mini trous noirs ? Il nous faut bien entendu recharger notre réacteur à effet Hawking si l’on veut voyager d’étoile en étoile. Un des moyens discutés consisterait à utiliser des lasers à rayons gamma sur-puissants. Un laser de 109 tonnes de masse serait nécessaire ; soit en comptant l’infrastrcuture du méga-laser un total de 1010 tonnes au bas mot. A première vue, cela semble dantesque. Mais une telle masse correspond à un petit astéroïde. Si nous parvenons un jour à concevoir de tels méga-lasers, nous devrions également être capables d’aller chercher des astéroïdes de cette masse pour en exploiter les ressources minières nécessaires à la construction du méga-laser. Ce n’est pas pour demain, certes, mais les projets américains de vols habités jusqu’à des astéroïdes géocroiseurs y font rêver.
Supposons que notre méga-laser est achevé. Où pourrions-nous trouver l’énergie nécessaire pour générer les trous noirs artificiels ? Ne cherchez plus, notre meilleure réserve brille au-dessus de nous ! Le soleil, qui produit une puissance lumineuse de plus de 3,8.1024 W, représente la meilleure source d’alimentation de notre laser à trous noirs. Il faudrait mettre en place des panneaux solaires collecteurs de 370 km de longueur à un million de kilomètres du soleil (pour rappel une unité astronomique mesure environ 150 millions de kilomètres) pour collecter en un an assez d’énergie pour produire un trou noir de 2,2 attomètres. Dans l’absolu, de tels collecteurs font penser à une sphère de Dyson de type 1. Bien-sûr, un tel réseau collecteur serait soumis à de nombreuses contraintes techniques, en orbite aussi proche du soleil. Mais durant tout cet article, n’avons-nous pas parié que les ingénieurs et chercheurs d’après-demain sauront surpasser tous ces vertigineux obstacles physiques et techniques
