Les trous noirs sont parmi les endroits les plus mystérieux de l'univers; des endroits où le tissu même de l'espace et du temps est tellement déformé que même la lumière ne peut pas leur échapper. Selon la théorie de la relativité générale d'Einstein, en leur centre se trouve une singularité, un endroit où la masse de nombreuses étoiles est écrasée dans un volume de taille exactement nulle. Cependant, deux articles récents sur la physique, publiés le 10 décembre dans les revues Physical Review Letters et Physical Review D, respectivement, pourraient inciter les scientifiques à reconsidérer ce que nous pensons savoir sur les trous noirs. Les trous noirs pourraient ne pas durer éternellement, et il est possible que nous ayons complètement mal compris leur nature et à quoi ils ressemblent au centre, selon les journaux.
Les limites de la physique d'Einstein
Les astronomes et les physiciens soutiennent depuis longtemps que l'idée d'une singularité doit tout simplement être fausse. Si un objet avec une masse n'a pas de taille, alors il a une densité infinie. Et, autant que les chercheurs lancent le mot «infini», les infinis de ce genre n'existent pas dans la nature. Au lieu de cela, lorsque vous rencontrez un infini dans une situation scientifique réelle, physique, cela signifie vraiment que vous avez poussé vos mathématiques au-delà du domaine où elles s'appliquent. Vous avez besoin de nouveaux calculs.
Il est facile d'en donner un exemple familier. La loi de gravité de Newton dit que la force de l'attraction gravitationnelle change comme une sur la distance au carré entre deux objets. Donc, si vous preniez une balle loin de la Terre, elle subirait un certain poids. Ensuite, à mesure que vous vous rapprochiez de la Terre, le poids augmenterait. En poussant cette équation à l'extrême, en rapprochant l'objet du centre de la Terre, il subirait une force infinie. Mais ce n'est pas le cas.
Au lieu de cela, lorsque vous rapprochez l'objet de la surface de la Terre, la simple loi de gravité de Newton ne s'applique plus. Vous devez prendre en compte la distribution réelle de la masse de la Terre, ce qui signifie que vous devez utiliser des équations différentes et plus complexes qui prédisent un comportement différent. De même, bien que la théorie de la relativité générale d'Einstein prédit qu'une singularité de densité infinie existe au centre des trous noirs, cela ne peut pas être vrai. À de très petites tailles, une nouvelle théorie de la gravité doit entrer en jeu. Nous avons un nom générique pour cette nouvelle théorie: elle s'appelle la gravité quantique.
Le nom de gravité quantique signifie simplement «gravité aux plus petites échelles», mais l'expression n'implique pas une théorie spécifique. Cependant, des propositions théoriques spécifiques ont été faites qui décriraient la gravité telle qu'elle est dans le microcosme. Une proposition est appelée gravité quantique en boucle.
La gravité quantique en boucle est bien définie mathématiquement, et elle exprime le tissu de l'espace-temps comme un réseau de réseaux de spin, qui évoluent avec le temps. Les réseaux de spin ne sont qu'une formulation mathématique qui décrit comment les particules et les champs interagissent. D'un point de vue plus pratique, la gravité quantique en boucle prédit que l'espace-temps est quantifié, avec une unité ou une pièce d'espace et de temps la plus petite possible, au-delà de laquelle l'espace-temps ne peut plus être subdivisé.
La gravité quantique en boucle est une théorie mathématique difficile qui a résisté à la réalisation de prédictions testables à l'intérieur des trous noirs. Cependant, Abhay Ashtekar et Javier Olmedo de la Pennsylvania State University et Parampreet Singh de la Louisiana State University ont appliqué la gravité quantique en boucle au centre des trous noirs. Ils prétendent que le résultat n'est pas une singularité.
Leur calcul prédit que l'espace-temps est très fortement courbé près du centre du trou noir. Le résultat est que l'espace-temps continue dans une région du futur qui a la structure d'un trou blanc. Un trou blanc est comme un trou noir à l'envers, ce qui signifie que contrairement à un trou noir, qui attire la matière, un trou blanc jette la matière.
Il y a peut-être une autre façon d'imaginer ce qu'ils prédisent. Il est bien connu que dans les champs gravitationnels puissants, le temps ralentit. Et les trous noirs contiennent les champs gravitationnels les plus puissants de l'univers. Pour cette raison, une interprétation possible de ce nouveau travail est que la matière tombe dans un trou noir puis "rebondit", projetant la masse à travers le cosmos. Parce que le temps est si lent près du centre d'un trou noir, ce processus prend simplement énormément de temps. Si les chercheurs ont raison, dans un avenir très lointain, où il y a maintenant des trous noirs, la matière éclatera, répandant la matière à travers le cosmos.
Comme toujours dans la science théorique, il existe de nombreuses idées intéressantes et provocantes qui ne sont tout simplement pas vraies, et cela peut être l'une d'entre elles. Il est donc important de voir s'il existe un support expérimental pour des idées théoriques comme celles-ci.
Il y a quelques possibilités. Les scientifiques ont observé des phénomènes de très haute énergie dans l'espace qui n'ont pas été complètement expliqués. L'une est l'existence de rayons cosmiques de très haute énergie qui frappent l'atmosphère terrestre. Un autre est ce qu'on appelle des "rafales radio rapides", c'est-à-dire lorsqu'une grande quantité d'énergie radio est observée en très peu de temps. Ces deux phénomènes pourraient, au moins en principe, être la signature d'un trou noir en transition vers un trou blanc.
Il est certainement prématuré d'accepter cette nouvelle idée intéressante. Au lieu de cela, il serait prudent de voir comment les calculs en cours utilisant la gravité quantique en boucle se déroulent. Si les prédictions s'améliorent et commencent à ressembler davantage à certains des phénomènes astronomiques observés inexpliqués, il se pourrait que ce nouveau résultat explique à la fois le fonctionnement de la gravité quantique et remodèle notre compréhension du passé et de l'avenir de notre univers.
Don Lincoln est chercheur en physique à Fermilab. Il est l'auteur de "Le grand collisionneur de hadrons: l'histoire extraordinaire du boson de Higgs et d'autres trucs qui vous épateront"(Johns Hopkins University Press, 2014), et il produit une série d'enseignement des sciences vidéos. Suis-le sur Facebook. Les opinions exprimées dans ce commentaire sont les siennes.
Don Lincoln a contribué cet article à Live Science's Voix d'experts: Op-Ed & Insights.
