Penrose a remporté le célèbre prix pour avoir découvert "que la formation d'un trou noir est une prédiction solide de la théorie de la relativité générale", tandis que Genzel et Ghez ont été récompensés pour "la découverte d'un objet compact supermassif dans le centre de notre galaxie", des millions de fois plus gros que notre Soleil, a expliqué le jury Nobel en annonçant le prix à Stockholm.
Le lauréat britannique reçoit la moitié du prix doté d'environ un million d'euros, tandis que les deux autres se partagent la seconde moitié, a précisé l'Académie royale des sciences à Stockholm.
Andrea Ghez a dit "prendre très au sérieux" de devenir la quatrième femme à remporter un prix Nobel de Physique, le plus masculin des six prix.
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Le trou noir, "on ne sait pas ce qu'il contient, on n'en a aucune idée, c'est pourquoi c'est aussi exotique, ça fait partie de l'intrigue, ça pousse les limites de notre compréhension", s'est elle enthousiasmée, jointe par téléphone par la Fondation Nobel.
Penrose, 89 ans, a utilisé la modélisation mathématique pour prouver dès 1965 que les trous noirs peuvent se former, devenant ainsi une entité à laquelle rien, pas même la lumière, ne peut échapper. Ses calculs ont prouvé que les trous noirs sont une conséquence directe de la théorie de la relativité générale d'Einstein.
Depuis le début des années 1990, ces colauréats Reinhard Genzel, 68 ans, et Andrea Ghez, 55 ans, ont eux mené des recherches sur une zone appelée Sagittaire A* au centre de la Voie lactée.
En utilisant les plus grands télescopes du monde, ils ont découvert un objet extrêmement lourd et invisible - environ 4 millions de fois plus grand que la masse de notre Soleil - qui tire sur les étoiles environnantes, donnant à notre galaxie son tourbillon caractéristique.
Les trous noirs supermassifs sont une énigme de l'astrophysique, notamment sur la façon dont ils deviennent aussi gros. Leur formation est au coeur des recherches en astrophysique moderne. Les scientifiques pensent qu'ils dévorent, à une vitesse folle, tous les gaz émis par des galaxies très denses qui les entourent.
Comme ils sont invisibles, on ne peut les voir que par contraste, en observant les phénomènes qu'ils suscitent dans leur proche environnement. Une première image révolutionnaire avait été révélée au monde en avril 2019.
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L'astrophysique et la physique quantique centrée sur l'infiniment petit, étaient considérées comme favorites par les experts pour ce Nobel 2020.
En 2019, le prix de physique avait déjà distingué trois cosmologues, le Canado-Américain James Peebles, qui a mis ses pas dans ceux d'Albert Einstein pour éclairer les origines de l'univers, et les Suisses Michel Mayor et Didier Queloz qui, les premiers, ont révélé l'existence d'une planète en dehors du système solaire.
Si les prix Nobel vont bien être annoncés comme prévu cette semaine, le coronavirus a entraîné l'annulation de la cérémonie physique de remise des prix, le 10 décembre à Stockholm.
Lundi, le prix de médecine a confirmé l'écrasante domination des Américains dans le palmarès des Nobel scientifiques en primant Harvey Alter et Charles Rice, aux côtés du Britannique Michael Houghton, pour leur rôle dans la découverte du virus responsable de l'hépatite C.
Suivra mercredi la chimie, où une découverte biomédicale majeure pourrait être récompensée: les "ciseaux Crispr", permettant de couper un gène précis, mis au point par la Française Emmanuelle Charpentier et l'Américaine Jennifer Doudna. Un autre pionnier du séquençage des gènes, l'Américain Leroy Hood, pourrait être consacré, selon la radio suédoise SR.
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Autres nobélisables: les nanocristaux, de même que les travaux des Américains Harry Gray, Richard Holm et Stephen Lippard sur le rôle des ions métalliques en biologie.
Le prix de littérature, évènement le plus attendu du grand public avec la paix le vendredi à Oslo, sera lui annoncé jeudi par l'Académie suédoise.
Seule récompense non prévue par le fameux testament de l'inventeur suédois, le prix d'économie "à la mémoire d'Alfred Nobel", créé en 1968, clôturera la saison lundi prochain.
