Pourquoi les trous noirs continuent d'attirer les physiciens

Initialement considérés comme une faille dans les équations de la théorie de la gravité d'Albert Einstein, les trous noirs ont été prouvés possibles dans les années 1970. Depuis, les astrophysiciens ont localisé de nombreux trous noirs réels dans l'Univers en détectant leur  lumière  ,  leurs rayons X  et les  réverbérations  qu'ils déclenchent lors de leurs collisions. Mais malgré des décennies d'études, les physiciens peinent encore à comprendre comment les trous noirs sculptent – ​​et sont sculptés par – le cosmos. Et ils ignorent toujours ce que sont réellement ces masses denses, au fond.

En effet, les trous noirs sont essentiellement une pure manifestation de la force gravitationnelle, et les physiciens ignorent  le fonctionnement exact de la gravité . Chaque théorie de la gravité présente une image distincte du trou noir, parfois très différente de la description standard. C'est pourquoi les physiciens ont tendance à se focaliser sur les trous noirs. Ces objets mystérieux constituent un terrain de jeu pour explorer les conséquences concrètes de nos spéculations gravitationnelles. 

Quoi de neuf et d'intéressant

Une vérité indéniable concernant les trous noirs est qu'ils ne sont pas constitués de matière, mais d'atomes du tableau périodique. Un trou noir est ce que l'on obtient lorsqu'on concentre tellement de matière dans une région de l'espace que tout s'effondre. Cette région prend une toute nouvelle identité, qui dépend de votre théorie de la gravité préférée.

L'image classique d'un trou noir est celle issue de la théorie de la relativité générale d'Einstein, la théorie de la gravité la plus établie et la plus aboutie. La relativité générale présente la gravité comme le résultat de la courbure de l'espace-temps, et un trou noir est une région de l'espace-temps (ou " espace-temps ") qui devient si fortement courbée que rien ne peut en ressortir en y tombant. Une limite sphérique marque la région d'où il n'y a pas d'échappatoire. À l'intérieur de cet " horizon des événements ", tous les chemins mènent plus profondément dans le trou noir, vers son extrémité ultime : un point appelé singularité.

Personne ne sait exactement ce qui se passe si une particule – ou un astronaute malchanceux – atteint la singularité, car la relativité générale y échoue. Puisque la théorie présente ces points de défaillance, les physiciens savent qu'elle ne peut être tout à fait exacte. Toute théorie complète de la gravité devrait pouvoir décrire ce qui se passe au centre d'un trou noir, même s'il  subsiste quelque chose qui s'apparente à une singularité .

Une représentation moins familière du trou noir est suggérée par certains calculs de la théorie des cordes. Candidate à la théorie quantique de la gravité, la théorie des cordes attribue la gravité et toutes les autres forces à des cordes vibrantes submicroscopiques. Dans cette perspective, le trou noir n'est pas une bulle vide, mais plutôt une planète de cordes enchevêtrées appelée boule de poils. Un astronaute s'écraserait contre une boule de poils plutôt que de simplement y tomber. Les boules de poils présentent des avantages théoriques, notamment l'absence de singularités inconnaissables ni d'horizons précis et inéluctables. Au lieu de cela, ils présentent des surfaces légèrement floues, ce qui leur permet  d'éviter un paradoxe épineux  de la physique des trous noirs,  posé dans les années 1970 par Stephen Hawking .

Dans la " gravité quantique à boucles ", qui postule que l'espace et le temps sont constitués d'un fin maillage de boucles, la structure de l'espace-temps empêche la matière, s'effondrant gravitationnellement, d'atteindre une densité suffisante pour former une singularité. Au lieu de cela, elle forme un orbe supra-subatomique appelé étoile de Planck. Et dans la " gravité quadratique ", une théorie moins connue traitant la gravité comme les autres forces, la matière s'effondre dans un " trou 2-2 ", duquel un astronaute pourrait vraisemblablement sortir s'il avait des milliards d'années.

Bien que ces représentations des trous noirs diffèrent radicalement les unes des autres sur le plan conceptuel, leurs distinctions physiques – celles que l'on pourrait espérer déceler lors d'une expérience – sont pratiquement impossibles à détecter. Une  analyse récente, d'une précision remarquable,  des vibrations de l'espace-temps émises par des trous noirs en collision n'a révélé aucun signe d'écart par rapport au trou noir classique de la relativité générale. Mais cette recherche n'était pas suffisamment précise pour exclure le duvet d'une boule de duvet ou toute autre prédiction des théories susmentionnées.

C'est pourquoi de nombreux physiciens ne s'inquiètent pas du tout de la nature fondamentale des trous noirs. De nombreux astrophysiciens se consacrent à une autre question : le rôle des trous noirs dans le cosmos. Dans cette quête, ils se sont interrogés sur l'apparition d'  un trou noir mystérieusement petit  et  d'un trou noir incroyablement grand . Ils ont repéré  des bulles dominant notre galaxie, la Voie lactée , vraisemblablement gonflées par une violente éruption de notre trou noir supermassif voisin (qu'ils  ont photographié ). Et ils ont tenté de comprendre comment un minuscule trou noir peut  réchauffer une vaste galaxie .

Après une série de découvertes inattendues de trous noirs  trop grands pour leurs minuscules galaxies , de trous noirs  trop grands pour leur âge , et, le mois dernier, d'un trou noir  trop grand et " nu "  pour s'être formé normalement (lors de l'effondrement d'une étoile), il devient de plus en plus évident que l'univers possède toutes sortes de recettes pour fabriquer des trous noirs, quels qu'ils soient.