HAWKING STEPHEN WILLIAM (1942- )

2.  Du big bang aux trous noirs

Dès le début, les recherches de Hawking sont centrées sur les singularités dans l'Univers. Une singularité est un concept mathématique qui peut être visualisé comme une région de l'espace-temps qui a acquis une courbure si grande que les grandeurs physiques normales y sont infinies et que les lois ordinaires de la physique cessent d'être applicables. L'espace-temps est un réseau à quatre dimensions qui est utilisé en physique théorique pour repérer les événements et décrire leurs relations spatio-temporelles. Un exemple fameux de singularité est fourni par le big bang, qui donna naissance à l'Univers en expansion que nous observons aujourd'hui. C'est à cette singularité initiale que Hawking consacre ses premiers travaux.

L'observation des galaxies lointaines montre que l'Univers est en expansion, ce qui implique que les galaxies étaient, dans le passé, plus proches les unes des autres. On peut alors se demander si, à un moment donné, la matière qui les constitue n'était pas rassemblée en une singularité de densité infinie. La réponse à cette question exige l'élaboration d'un appareil mathématique nouveau, que Stephen Hawking développe avec Roger Penrose entre 1965 et 1970. Ils montrent que l'Univers est nécessairement passé par un stade de densité infinie : il s'agit de la singularité du big bang, qui marque le commencement de notre Univers.

Dans les années 1970, Hawking se tourne vers l'étude d'un autre type de singularité : les étoiles effondrées. La théorie de la relativité générale prédit que, lorsqu'une étoile a épuisé son combustible nucléaire, elle s'effondre sous l'effet de sa propre gravité.

Mais, si des étoiles semblables à notre Soleil peuvent aboutir au stade stable de naine blanche, Hawking montre que les étoiles plus massives continuent de se contracter jusqu'à atteindre une densité infinie : cette singularité marque, pour l'astre en son entier, la fin du temps. Le champ gravitationnel devient si fort que rien ne peut plus s'échapper de la singularité. Une telle région est appelée un trou noir, et sa frontière constitue l'horizon des événements.

Poursuivant ses recherches sur les trous noirs, Hawking montre que la superficie de la surface qui constitue l'horizon des événements ne peut décroître dans le temps. Une nuit, il a l'intuition que, si deux trous noirs entrent en collision, la superficie de l'horizon des événements du nouveau trou noir ainsi formé sera plus grande que la somme des superficies des horizons des trous noirs originels : « J'étais tellement bouleversé par cette découverte que je ne pus retrouver le sommeil de toute la nuit », se souvient-il.