Une recette révolutionnaire pour les trous noirs sans singularité centrale
Une équipe de scientifiques a développé une recette pour les trous noirs qui élimine l’un des aspects les plus troublants de la physique : la singularité centrale, le point où toutes nos théories, lois et modèles se brisent.
Si vous deviez concevoir un objet pour préserver le mystère tout en étant profondément troublant, vous ne pourriez pas trouver mieux qu’un trou noir.
Une surface de piège à lumière
Tout d’abord, la frontière externe de ces titans cosmiques est une surface de piège à lumière à sens unique appelée horizon des événements, le point où la gravité d’un trou noir est si puissante que même la lumière ne peut s’échapper. Cela signifie qu’aucune information ne peut sortir d’un trou noir, nous ne pouvons donc jamais observer ou mesurer directement ce qui se trouve à son cœur. En utilisant les mathématiques de la théorie de la gravité d’Einstein de 1915, appelée relativité générale, les scientifiques peuvent modéliser l’intérieur d’un trou noir. Le problème est que, lorsque cela est fait, la relativité générale nous dit que toutes les valeurs mathématiques se dirigent vers l’infini à la singularité au cœur d’un trou noir.
Des trous noirs ordinaires sans singularité centrale
Cette nouvelle recherche suggère que les trous noirs ordinaires sans singularité centrale – l’équivalent physique d’avoir son gâteau et le manger aussi – pourraient être plus que le rêve fiévreux des physiciens.
La singularité est la partie la plus mystérieuse et problématique d’un trou noir. C’est là que nos concepts d’espace et de temps ne font littéralement plus sens, déclare Robie Hennigar, membre de l’équipe de recherche et chercheur à l’Université de Durham en Angleterre. Si les trous noirs n’ont pas de singularités, alors ils sont beaucoup plus ordinaires.
La courbure de l’espace-temps
La théorie de la relativité générale d’Einstein affirme que les objets massifs courbent le tissu même de l’espace-temps (les trois dimensions de l’espace unies à la dimension du temps) et que la gravité découle de cette courbure. Plus la masse est grande, plus la courbure de l’espace-temps est extrême, et plus l’influence de la gravité est forte. Tout cela est calculé avec les équations qui soutiennent la relativité générale : les équations de champ d’Einstein.
La façon dont l’espace-temps se courbe est déterminée par les équations de champ d’Einstein, qui sont les fondements de la relativité générale, explique Pablo Antonio Cano Molina-Niñirola, membre de l’équipe de l’Institut des sciences cosmiques de l’Université de Barcelone en Espagne. Ces équations sont extrêmement réussies, car elles prédisent une multitude de phénomènes observables dans le cosmos, du mouvement des planètes à l’évolution de l’univers et à l’existence des trous noirs. Mais elles prédisent également l’existence des singularités, et cela pose problème.
Destination infinie
Les trous noirs – des régions de l’espace-temps à la courbure extrême – ont été évoqués pour la première fois comme concept dans les solutions des équations de champ d’Einstein suggérées par le physicien et astronome allemand Karl Schwarzschild pendant la Première Guerre mondiale en 1915. Ces solutions tendent vers l’infini au centre de cette région. Les physiciens n’aiment pas les infinis, car ils indiquent l’échec ou l’incomplétude de leurs modèles, ou suggèrent quelque chose d’entièrement non-physique. Cela signifie quelque chose de vraiment troublant et indésirable pour les physiciens.
Dans la relativité générale, l’intérieur d’un trou noir est comme un univers en contraction, où la singularité représente le moment où l’espace lui-même s’effondre, explique Molina-Niñirola. Molina-Niñirola ajoute que de nombreux physiciens pensent que, lorsque la gravité devient exceptionnellement forte et que l’espace-temps est très tordu, la relativité générale doit être remplacée par une théorie plus fondamentale. On présume que ce serait une théorie de la gravité quantique conduisant à une théorie de tout qui unifierait les théories jusqu’ici incompatibles de la relativité générale et de la physique quantique. L’espoir est que, dans cette théorie complète, les singularités des trous noirs seront supprimées. Maintenant, notre recette pour les trous noirs ordinaires va précisément dans cette direction, mais au lieu d’utiliser une théorie complète de la gravité quantique, nous utilisons quelque chose appelé ‘théorie effective’. Il s’agit d’une théorie classique de la gravité censée capturer les effets d’une théorie supposée de la gravité quantique.
Un nouvel aperçu des trous noirs
Cela revient à ce que l’équipe modifie les équations de champ d’Einstein de manière à ce que la gravité se comporte différemment lorsque l’espace-temps est hautement courbé. En fin de compte, cela aboutit à l’élimination des singularités centrales des trous noirs.
Cette nouvelle théorie modifiée suggère qu’il n’y a pas de singularité au cœur d’un trou noir. Alors qu’existe-t-il dans cet univers extrême et exotique si cette théorie est correcte ? Dans notre modèle, l’effondrement de l’espace-temps s’arrête et la singularité est remplacée par une région statique fortement déformée qui se trouve au cœur du trou noir, explique Molina-Niñirola. Cette région est statique car elle ne se contracte pas. Cela signifie qu’un observateur pourrait théoriquement y rester, à condition qu’il puisse survivre aux énormes forces gravitationnelles, bien que finies, dans cette région.
Outre l’espace-temps courbé, qu’y a-t-il d’autre au cœur des trous noirs si cette théorie est correcte ? Selon Hennigar, strictement parlant, rien. Ces trous noirs sont purement vides partout ; il n’y a pas besoin de matière, mais on peut facilement l’inclure si on le souhaite, poursuit le chercheur de l’Université de Durham. Cela peut sembler étrange d’avoir un trou noir en l’absence de matière, mais la même chose peut arriver même dans la relativité générale.
Même si le concept de trou noir de l’équipe était vérifié, cela ne mettrait probablement pas fin à la recherche d’un modèle valide de la gravité quantique et d’une théorie du tout. En quelque sorte, c’est un problème qui ne peut pas être évité, déclare Hennigar. Des étoiles s’effondrent tout le temps dans notre univers ; c’est un processus physique inévitable. Mais cette occurrence courante est quelque chose qui nous pousse au-delà de tout ce que nous savons. Dans les dernières étapes de l’effondrement, juste avant d’atteindre la singularité, à la fois la gravité et les effets quantiques seront importants. Nous savons donc déjà que les conclusions que l’on pourrait tirer de la seule relativité générale sont insuffisantes pour décrire un endroit/moment aussi extrême.
Perdre la singularité signifie-t-il perdre le mystère ? Pas tout à fait… Si cette recherche est correcte, elle a peut-être démystifié les trous noirs dans une certaine mesure, mais elle ouvre encore de nombreuses questions qui devront être élucidées. Notre travail apporte des réponses à certaines énigmes, mais il en soulève d’autres, déclare Molina-Niñirola. Par exemple, selon notre modèle – et d’autres propositions de la littérature scientifique – la matière qui tombe à l’intérieur d’un trou noir ordinaire sortirait finalement du trou noir par un trou blanc situé dans un autre univers ou dans une région déconnectée du même univers. Cela semble très exotique, mais c’est la seule possibilité si les singularités n’existent pas : tout ce qui entre dans un trou noir doit finalement en sortir.
Le chercheur ajoute que ce processus comporte des problèmes propres qui doivent également être étudiés pour évaluer la solidité de l’idée de l’équipe. La grande question est de savoir si les scientifiques pourraient jamais trouver des preuves de cette théorie grâce à des observations réelles de trous noirs ; après tout, nous savons que nous ne pouvons pas simplement regarder à l’intérieur.
C’est difficile à dire, car les effets qui conduisent à la résolution de la singularité pourraient devenir observables uniquement dans des régimes de gravité extrêmement forte, probablement beaucoup plus forte que ce que nous pouvons espérer observer, explique Molina-Niñirola. Cependant, il existe des expériences qui peuvent nous offrir certaines possibilités.
Molina-Niñirola explique que l’observation des ondes gravitationnelles, des ondulations de l’espace-temps, permet aux astronomes d’observer des champs gravitationnels beaucoup plus puissants qu’auparavant. Cela donne aux scientifiques une chance unique d’essayer de repérer des effets au-delà de la relativité générale, y compris ceux qui peuvent conduire à la résolution de la singularité.
De plus, si la théorie de l’équipe est correcte, il devrait y avoir une empreinte caractéristique dans l’univers très tôt, pendant l’ère de l’inflation cosmique juste après le Big Bang. À cet égard, la détection d’un fond de rayonnement gravitationnel primitif, qui n’a pas encore été détecté, pourrait fournir des indications sur d’éventuelles modifications de la gravité, explique Molina-Niñirola. Enfin, une conséquence de l’absence de singularité est que le produit final de l’évaporation des trous noirs par rayonnement de Hawking serait un trou noir microscopique. Ces trous noirs microscopiques fournissent un possible candidat pour la matière noire. Ainsi, si la matière noire s’avérait être composée de trous noirs miniatures, cela constituerait une preuve indirecte en faveur de l’absence de singularités.
Les recherches de l’équipe ont été publiées dans la revue Physics Letters B en février 2025.
