Ces dernières années, les trous noirs sont passés du statut de possibilités exotiques hautement théoriques à celui d’objets astrophysiques bien observés. Les preuves d’observation proviennent de sources telles que la première observation d’ondulations dans l’espace-temps causées par des collisions de trous noirs et la première image d’un trou noir publiée en 2019.
Les trous noirs sont prévus par la théorie de la relativité générale d’Einstein, qui décrit l’univers à la plus grande échelle. Mais ces objets doivent aussi déformer l’espace-temps à la plus petite échelle, ce qui signifie que les trous noirs doivent aussi avoir des propriétés quantiques intéressantes. Le défi pour les théoriciens est de trouver des moyens d’unir les théories disparates de la relativité et de la mécanique quantique dans une théorie de la gravité quantique « à boucle » qui prédit correctement les observations.
Et ces théoriciens n’ont pas chômé. Au cours de la dernière décennie, ils ont développé une compréhension théorique de plus en plus sophistiquée des trous noirs qui pourrait expliquer certains des plus grands mystères de la cosmologie.
Le physicien et vulgarisateur scientifique Carlo Rovelli et Francesca Vidotto, tous deux de l’Université Western au Canada, passent en revue ces progrès et mettent en évidence certaines de leurs conclusions stupéfiantes. Les nouveaux travaux suggèrent que lorsque les trous noirs meurent, ils se transforment en trous blancs. Que des myriades de minuscules trous blancs pourraient traverser la Terre à tout moment. Et que ces objets sont des candidats idéaux pour la matière noire qui, selon les cosmologistes, remplit l’univers mais n’a jamais été observée directement.
Trous blancs
Les astrophysiciens pensent depuis longtemps que les trous noirs ne peuvent pas être de grands objets statiques qui resteraient inchangés tout au long de la vie de l’Univers. Leurs travaux suggèrent plutôt que les trous noirs évoluent. Aujourd’hui, les travaux des théoriciens sur la gravitation quantique à boucles ont mis en évidence les détails de cette évolution.
Pour commencer, les trous noirs s’évaporent progressivement en émettant un rayonnement Hawking. Cela provoque un rétrécissement de l’horizon du trou noir, alors que le volume de l’intérieur ne diminue pas. « Cela implique qu’un vieux trou noir évaporé a un horizon réduit mais un volume interne énorme », expliquent Rovelli et Vidotto.
Ce rétrécissement se poursuit jusqu’à ce que le trou atteigne la taille la plus petite possible à l’échelle de Planck. À ce stade, la densité d’énergie quantique devient suffisamment grande pour résister à un rétrécissement supplémentaire. Le trou rebondit et subit un étrange changement de personnalité quantique. « À la fin de l’évaporation, un trou noir subit une transition quantique vers un trou blanc avec un horizon de la taille de Planck et un vaste intérieur », expliquent les chercheurs.
C’est ce que les cosmologistes appellent un « vestige » d’un trou noir et la compréhension des propriétés de ces vestiges a constitué une partie importante de leur travail.
Les trous blancs sont étudiés depuis un certain temps. Comme les trous noirs, ils constituent des solutions légitimes aux équations de champ d’Einstein. « L’espace-temps d’un trou blanc est simplement l’inversion temporelle de l’espace-temps d’un trou noir », expliquent Rovelli et Vidotto.
Et comme les trous noirs, les trous blancs n’étaient pas censés jouer un rôle majeur dans l’univers. Cette vision doit maintenant changer, affirment Rovelli et Vidotto, tout comme elle l’a fait pour les trous noirs, car les deux sont intrinsèquement liés.
L’instabilité des solutions à l’origine des trous blancs a toujours constitué un obstacle potentiel. Mais Rovelli et Vidotto soulignent que toute instabilité devrait conduire à la formation d’une superposition de trous noirs et de trous blancs qui serait stable.
La différence est de toute façon essentiellement théorique. Pour un observateur occasionnel, un trou blanc est indiscernable d’un trou noir. Seuls leur passé et leur futur diffèrent, bien que d’une manière inaccessible à la plupart des observateurs.
Une question importante est de savoir combien de temps durent les restes. Rovelli et Vidotto soulignent que pour le reste lui-même, le processus de dissipation complète doit se produire très rapidement. Mais la dilatation du temps signifie que pour un observateur distant, cela pourrait prendre la durée de vie de l’univers.
« Le temps ralentit à proximité d’une masse de haute densité », expliquent les chercheurs. « Un observateur (capable de résister aux forces de marée) atterrissant sur une distribution de matière de Planck se retrouvera presque immédiatement dans un futur lointain, au moment où le trou noir termine son évaporation. » En d’autres termes : « Un trou noir est un raccourci vers un futur lointain », disent-ils.
Si tout cela est exact, l’univers devrait être rempli de restes de trous noirs (ou trous blancs). Et leur masse devrait avoir un effet gravitationnel sur toute la matière visible de l’univers. C’est pourquoi les restes sont de bons candidats pour la matière noire.
« Les restes sont un candidat à la matière noire qui ne nécessite pas d’hypothèses exotiques sur de nouvelles forces, de particules ou de corrections des équations d’Einstein, ni de physique au-delà du modèle standard », affirment Rovelli et Vidotto. « Il suffit de la relativité générale et de la théorie quantique pour tenir le coup. »
Détecteur quantique
Mais ces particules seront très difficiles à détecter, car la gravité est une force très faible à cette échelle minuscule. Pourtant, Rovelli et Vidotto estiment qu’il existe peut-être un moyen d’y parvenir.
L’idée est de créer une masse qui existe à deux endroits différents en même temps dans une superposition quantique des deux états. Ensuite, lorsqu’un résidu passe à proximité, il interagit plus fortement par gravité avec la masse la plus proche, provoquant un changement de caractère de la superposition. La détection de ce changement serait le signe qu’une particule de matière noire est passée à proximité.
Il reste à déterminer si cela indiquerait uniquement la présence d’un vestige de trou noir. Mais l’essentiel est que ce type d’expérience est aujourd’hui presque possible.
Tout cela fait de ce domaine de la physique un domaine passionnant à explorer. Et qui est susceptible de changer à mesure que les physiciens recueillent des observations plus détaillées des collisions de trous noirs et d’autres phénomènes de gravité quantique. Alors surveillez cet espace : les trous noirs, les trous blancs et les étoiles de Planck sont sur le point de devenir les choses les plus cool de l’astrophysique (comme s’ils avaient jamais été autre chose) !
Réf : Étoiles de Planck, trous blancs, restes et quasi-particules de masse de Planck : arxiv.org/abs/2407.09584
