C’est ce qui pourrait (probablement) exister de l’autre côté du trou noir

La découverte scientifique la plus surprenante de la dernière décennie est peut-être que l’univers regorge de trous noirs.

Ces trous ont été observés dans des tailles différentes et surprenantes : certains avec une masse légèrement supérieure à celle du Soleil, et d’autres avec une masse des milliards de fois supérieure. Ils ont également été observés de différentes manières : par des émissions radio provenant du matériau tombant vers le trou ; Et par son influence sur les étoiles qui tournent autour de lui ; Grâce aux ondes gravitationnelles émises lors de leur fusion ; Et par la distorsion extrêmement étrange de la lumière qu’il provoque (rappelez-vous l’anneau d’Einstein, apparu sur les images de Sagittaire A*, le trou noir supermassif au centre de la Voie lactée, qui faisait il n’y a pas si longtemps la une des journaux internationaux).

L’espace dans lequel nous vivons n’est pas lisse, mais plutôt plein de trous dans le ciel, comme une passoire. La théorie de la relativité générale d’Einstein a bien prédit et décrit les propriétés physiques de tous les trous noirs.

Tout ce que nous savons sur ces objets étranges est jusqu’à présent tout à fait cohérent avec la théorie d’Einstein. Mais il reste deux questions principales auxquelles la théorie d’Einstein ne répond pas.

La première question est : où va la matière lorsqu’elle entre dans un trou noir ? La deuxième question est : comment finissent les trous noirs ? Des arguments théoriques convaincants, compris pour la première fois par Stephen Hawking il y a plusieurs décennies, suggèrent que dans un avenir lointain, après une vie qui dépend de sa taille, un trou noir se contractera (ou, comme disent les physiciens, « s’évaporera ») en émettant un rayonnement chaud. connu sous le nom de rayonnement Hawking.

Le trou devient alors de plus en plus petit, jusqu’à devenir très petit. Mais que se passe-t-il après cela ? La raison pour laquelle ces deux questions n’ont pas encore reçu de réponse, et la théorie d’Einstein n’apporte pas de réponse, est qu’elles impliquent toutes deux des aspects quantiques de l’espace-temps.

Cela signifie que les deux impliquent la gravité quantique, mais nous n’avons pas encore de théorie solide de la gravité quantique.

Essayez de répondre

Mais il y a de l’espoir, car nous avons des théories provisoires. Ces théories n’ont pas encore été prouvées, car elles n’ont pas encore été étayées par des expériences ou des observations.

Mais ils sont suffisamment avancés pour nous fournir des réponses provisoires à ces deux questions importantes. Nous pouvons donc utiliser ces théories pour émettre une hypothèse éclairée sur ce qui se passe.

Non défini

La théorie la plus détaillée et la plus avancée de l’espace-temps quantique est peut-être la gravité quantique en boucle, ou LQG – une théorie expérimentale de la gravité quantique qui se développe régulièrement depuis la fin des années 1980.

Grâce à cette théorie, une réponse intéressante à ces questions est apparue. Cette réponse est démontrée dans le scénario suivant. L’intérieur du trou noir évolue jusqu’à atteindre un stade où les effets quantiques commencent à dominer.

Cela crée une forte force répulsive qui reflète la dynamique de l’intérieur du trou noir qui s’effondre, le faisant « rebondir ». Après cette phase quantique, décrite par la théorie de la gravité quantique, l’espace-temps à l’intérieur du trou obéit à nouveau à la théorie d’Einstein, sauf que le trou noir est désormais en expansion au lieu de se contracter.

La possibilité d’une expansion des trous noirs a en fait été prédite par la théorie d’Einstein, de la même manière que celle des trous noirs. C’est une possibilité connue depuis des décennies ; Cette région correspondante de l’espace-temps porte même un nom : « trou blanc ».

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Même idée mais à l’envers

Le nom reflète l’idée selon laquelle un trou blanc est, en un sens, l’opposé d’un trou noir. Nous pouvons y penser de la même manière qu’une balle qui rebondit vers le haut suit une trajectoire ascendante qui est à l’opposé de la trajectoire descendante qu’elle a empruntée lorsque cette balle est tombée.

Un trou blanc est une structure spatio-temporelle similaire à un trou noir mais dont le temps est inversé. À l’intérieur d’un trou noir, les choses tombent ; Mais à l’intérieur du trou blanc, les choses se déplacent vers l’extérieur. Rien ne peut sortir d’un trou noir ; De même, rien ne peut entrer dans un trou blanc.

En regardant de l’extérieur, ce qui se passe, c’est qu’à la fin du processus d’évaporation, le trou noir, désormais petit car il a évaporé la majeure partie de sa masse, se transforme en un petit trou blanc. LQG souligne que de telles structures deviennent presque stables grâce aux effets quantiques et peuvent donc survivre longtemps.

Les trous blancs sont parfois appelés « restes » car ce sont ce qui reste après l’évaporation d’un trou noir. La transition d’un trou noir à un trou blanc peut être considérée comme un « saut quantique ». Ceci est similaire au concept de sauts quantiques du physicien danois Niels Bohr, où les électrons sautent d’une orbitale atomique à une autre lorsqu’ils changent d’énergie.

Les sauts quantiques amènent les atomes à émettre des photons, qui provoquent l’émission de lumière qui nous permet de voir les choses. Mais la théorie de la gravité quantique prédit la taille de ces minuscules restes. D’où un résultat physique distinctif : la quantification géométrique. En particulier, la théorie de la gravité quantique prédit que l’aire de toute surface ne peut avoir que certaines valeurs discrètes.

La superficie de l’horizon restant du trou blanc doit être déterminée par la plus petite valeur non disparaissante. Cela correspond à un trou blanc d’une masse d’une fraction de microgramme : à peu près le poids d’un cheveu humain.

Ce scénario répond aux deux questions posées précédemment. Ce qui se passe à la fin du processus d’évaporation, c’est que le trou noir quantique saute dans un petit trou blanc à longue durée de vie. La matière qui tombe dans un trou noir peut ensuite émerger de ce trou blanc.

La majeure partie de l’énergie de la matière aura déjà été libérée par le rayonnement Hawking, un rayonnement de faible énergie émis par le trou noir en raison des effets quantiques qui provoquent son évaporation. Ce qui sort du trou blanc n’est pas l’énergie de la matière qui y est tombée, mais plutôt le rayonnement restant de faible énergie, qui transporte néanmoins toutes les informations restantes sur la matière qui y est tombée.

Une possibilité intrigante que ce scénario ouvre est que la mystérieuse matière noire dont les astronomes voient des traces dans le ciel pourrait en réalité s’être formée, en tout ou en partie, à partir de minuscules trous blancs générés par d’anciens trous noirs en évaporation. Ces trous pourraient être apparus dans les premiers stades de l’univers, peut-être avant le Big Bang, que la théorie de la gravité quantique semble également prédire.

Il s’agit d’une solution potentielle intéressante au mystère de la nature de la matière noire, car elle permet une compréhension de la matière noire basée uniquement sur la relativité générale et la mécanique quantique, deux aspects bien établis de la nature. Il n’ajoute pas non plus de particules de champ aléatoires ou de nouvelles équations dynamiques, comme le font la plupart des hypothèses expérimentales alternatives sur la matière noire.

Prochaines étapes

Alors, peut-on détecter les trous blancs ? Observer directement les trous blancs sera difficile car ces petits objets interagissent avec l’espace et la matière qui les entourent presque uniquement par la gravité, qui est extrêmement faible.

Il n’est pas facile de détecter un cheveu en utilisant uniquement sa gravité. Mais peut-être que cela ne sera plus impossible à mesure que la technologie progresse. Des idées sur la manière d’y parvenir à l’aide de détecteurs basés sur la technologie quantique ont déjà été proposées.

Si la matière noire est constituée de restes de trous blancs, une simple estimation montre que quelques objets de ce type pourraient survoler chaque jour une zone de la taille d’une grande pièce. Pour l’instant, il nous reste à étudier ce scénario et comment il s’articule avec ce que nous savons de l’univers, en attendant que la technologie nous aide à détecter directement ces objets.

Mais étonnamment, ce scénario n’a pas été pris en compte auparavant. La raison peut être attribuée à une hypothèse adoptée par de nombreux théoriciens ayant une formation en théorie des cordes : une version forte de l’hypothèse dite « holographique ».

Selon cette hypothèse, l’information à l’intérieur d’un petit trou noir est nécessairement petite, ce qui contredit l’idée ci-dessus. L’hypothèse repose sur l’idée de trous noirs éternels : techniquement, l’idée que l’horizon d’un trou noir est nécessairement un horizon « événementiel » (un horizon « événementiel » est par définition un horizon éternel). Si l’horizon est éternel, alors ce qui se passe à l’intérieur est effectivement perdu à jamais, et un trou noir se distingue de manière unique de ce qui peut être vu de l’extérieur.

Mais les phénomènes gravitationnels quantiques perturbent l’horizon lorsqu’il devient petit, l’empêchant d’être éternel. Par conséquent, l’horizon du trou noir ne peut pas être un horizon « événementiel ». Les informations qu’il contient peuvent être volumineuses, même lorsque l’horizon est petit, et elles peuvent être récupérées après l’étape du trou noir, pendant l’étape du trou blanc.

Curieusement, lorsque les trous noirs étaient étudiés théoriquement et que leurs propriétés quantiques étaient ignorées, l’horizon éternel était considéré comme leur propriété déterminante. Maintenant que nous comprenons les trous noirs comme de véritables objets dans le ciel et que nous étudions leurs propriétés quantiques, nous réalisons que l’idée selon laquelle leurs horizons devraient être éternels n’était qu’un idéal.

La réalité est plus nuancée. Peut-être que rien n’est éternel, pas même l’horizon d’un trou noir.

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