Ce que l’on sait des jumeaux négligés des trous noirs › Geeky News

Les trous blancs sont des régions cosmiques théoriques qui fonctionnent à l’opposé des trous noirs. Tout comme rien ne peut s’échapper d’un trou noir, rien ne peut entrer dans un trou blanc.

Les trous blancs ont longtemps été considérés comme un produit de la relativité générale né des mêmes équations que leurs frères stellaires effondrés, les trous noirs. Plus récemment, cependant, certains théoriciens se sont demandé si ces tourbillons jumeaux d’espace-temps pouvaient être les deux faces d’une même médaille.

Pour un équipage de vaisseau spatial qui regarde de loin, un trou blanc ressemble exactement à un trou noir. Il a de la masse. Il pourrait tourner. Un anneau de poussière et de gaz pourrait se rassembler autour de l’horizon des événements – la limite de la bulle séparant l’objet du reste de l’univers. Mais s’ils continuaient à regarder, l’équipage pourrait être témoin d’un événement impossible pour un trou noir : un rot. « Ce n’est qu’au moment où les choses sortent que vous pouvez dire, ‘ah, c’est un trou blanc' », a déclaré Carlo Rovelli, physicien théoricien au Centre de Physique Théorique en France.

Les physiciens décrivent un trou blanc comme «l’inversion temporelle» d’un trou noir, une vidéo d’un trou noir jouée à l’envers, tout comme une balle qui rebondit est l’inversion temporelle d’une balle qui tombe. Alors que l’horizon des événements d’un trou noir est une sphère de non-retour, l’horizon des événements d’un trou blanc est une frontière sans admission – le club le plus exclusif de l’espace-temps. Aucun vaisseau spatial n’atteindra jamais le bord de la région.

Les objets à l’intérieur d’un trou blanc peuvent sortir et interagir avec le monde extérieur, mais comme rien ne peut entrer, l’intérieur est coupé du passé de l’univers : aucun événement extérieur n’affectera jamais l’intérieur. « D’une certaine manière, il est plus dérangeant d’avoir une singularité dans le passé qui peut affecter tout dans le monde extérieur », a déclaré James Bardeen, pionnier des trous noirs et professeur émérite à l’Université de Washington.

Le jumeau théorique

Les équations de champ d’Einstein ont frappé la physique comme un tsunami en 1915, et les théoriciens sont toujours en train de trier l’épave. Au-delà de la description de la force de gravité, ses hypothèses ont également apporté un message bouleversant sur la nature de la réalité. Plus qu’une toile de fond rigide, l’espace et le temps se courbent et se replient avec la masse des étoiles et des planètes. Cette idée a déclenché une course pour calculer à quel point l’espace d’abus pourrait prendre de la matière qui dérive à travers elle.

En un an, le physicien et astronome Karl Schwarzschild a trouvé la première solution exacte aux équations d’Einstein, en calculant comment l’espace-temps se courbe autour d’une seule boule de masse. Dans sa réponse, il jette les graines de ce que les physiciens appellent aujourd’hui une singularité – une masse sphérique réduite à un point infiniment dense, enveloppant l’espace autour d’elle si étroitement que la région se pince du reste de l’univers. Elle forme un no man’s land dont l’horizon des événements brise le lien de cause à effet.

Les trous noirs, les singularités les plus célèbres, sont des régions de l’espace tellement déformées qu’il n’existe aucune sortie. L’univers extérieur peut influencer l’intérieur de l’horizon d’un trou noir, mais l’intérieur ne peut pas affecter l’extérieur.

Lorsque le mathématicien Martin David Kruskal a étendu la description du trou noir de Schwarzchild en 1960 pour couvrir tous les domaines de l’espace et du temps, sa nouvelle image contenait un reflet de la singularité du trou noir, bien qu’il n’ait pas réalisé sa signification à l’époque. Plus tard, lorsque les trous noirs sont entrés dans la langue vernaculaire, un terme naturel a émergé pour leurs jumeaux théoriques.

« Il a fallu 40 ans pour comprendre les trous noirs, et ce n’est que récemment que les gens se sont concentrés sur les trous blancs », a déclaré Rovelli.

En relation: La théorie de la relativité restreinte d’Einstein

Le télescope Event Horizon, un réseau à l’échelle planétaire de huit radiotélescopes au sol forgé grâce à une collaboration internationale, a capturé cette image du trou noir supermassif au centre de la galaxie M87 et de son ombre. Ici M87 est vu en lumière polarisée. (Crédit image : Collaboration EHT)

Pourquoi les trous blancs peuvent ne pas exister

Alors que la relativité générale décrit les trous blancs en théorie, personne ne sait comment ils pourraient réellement se former. Un trou noir boucle son espace lorsqu’une étoile s’effondre en un volume minuscule, mais lire cette vidéo à l’envers n’a aucun sens physique. Un horizon d’événements explosant en une étoile fonctionnelle ressemblerait un peu à un œuf qui se débrouille lui-même – une violation de la loi statistique exigeant que l’univers devienne plus désordonné avec le temps.

Même si de grands trous blancs se formaient, ils ne resteraient probablement pas trop longtemps. Toute matière sortante entrerait en collision avec la matière en orbite et le système s’effondrerait dans un trou noir. « Je pense qu’un trou blanc à longue durée de vie est très peu probable », a déclaré Hal Haggard, physicien théoricien au Bard College de New York.

Pourquoi les trous blancs pourraient exister

Pendant un certain temps, les trous blancs semblaient partager le sort des trous de ver – des contorsions mathématiquement acceptables de l’espace-temps probablement interdites par la réalité. Mais ces dernières années, certains physiciens ont ramené des trous blancs dans le but de sauver leurs frères et sœurs plus sombres d’une mort inconvenante.

Depuis que Stephen Hawking a réalisé dans les années 1970 que les trous noirs dégagent de l’énergie, les physiciens ont débattu de la manière dont les entités pourraient éventuellement se ratatiner et mourir. Si un trou noir s’évapore, beaucoup demandent, qu’advient-il de l’enregistrement interne de tout ce qu’il a avalé ? La relativité générale ne laissera pas passer l’information et la mécanique quantique interdit sa suppression.

« Comment un trou noir meurt-il ? Nous ne savons pas. Comment naît un trou blanc ? Peut-être qu’un trou blanc est la mort d’un trou noir », a déclaré Rovelli. « Les deux questions se rejoignent bien, mais il faut violer les équations de la relativité générale dans le passage de l’une à l’autre. »

Rovelli est l’un des fondateurs de la gravitation en boucle quantique, une tentative incomplète d’aller au-delà de la relativité générale en décrivant l’espace lui-même comme construit à partir de particules de style Lego. Guidés par les outils de ce cadre, lui et d’autres décrivent un scénario dans lequel un trou noir devient si petit qu’il n’obéit plus aux règles de bon sens des étoiles et des boules de billard. Au niveau des particules, l’aléatoire quantique prend le dessus et le trou noir pourrait se transformer en trou blanc.

Un tel trou blanc de la taille d’un microgramme, d’une masse similaire à un cheveu humain, n’aurait rien du drame gravitationnel de son ancêtre trou noir, selon Haggard, mais cacherait un intérieur caverneux contenant les informations de tout ce qu’il a avalé dans son vie antérieur. Trop petit pour attirer la matière en orbite, le trou blanc pourrait rester suffisamment stable pour éventuellement recracher toutes les informations accumulées par son prédécesseur.

Dans cette image, les trous blancs finiraient un jour par dominer l’univers, après que les étoiles se soient éteintes et que les trous noirs se soient flétris. N’importe quel observateur pourrait alors facilement détecter les objets comme des particules relativement grosses, spécule Haggard, mais ces jours représentent d’innombrables billions de fois l’âge actuel de l’univers dans le futur. « C’est l’échelle de temps la plus folle que j’ai vue en physique », a déclaré Haggard.

Le trou blanc ultime

Alternativement, les conséquences d’un trou blanc peuvent exister partout. Pour les physiciens des trous noirs, l’explosion de matière et d’énergie du Big Bang ressemble à un comportement potentiel de trou blanc. « La géométrie est très similaire dans les deux cas », a déclaré Haggard. « Même au point d’être mathématiquement identiques à certains moments. »

Les cosmologistes appellent cette image le « Big Bounce », et certains recherchent des caractéristiques caractéristiques des trous blancs dans la première lumière observable de l’univers. Rovelli se demande également si les sursauts radio violents représentent les cris de mini trous noirs théoriques laissés par le Big Bang alors qu’ils effectuent une transition précoce vers des trous blancs (bien que cette explication semble de plus en plus improbable).

L’univers ne peut pas se contorsionner dans toutes les formes que la relativité générale permet, mais Haggard pense que les physiciens devraient suivre ce terrier de lapin jusqu’au bout. « Pourquoi n’enquêteriez-vous pas s’ils [white holes] avoir des conséquences intéressantes », a-t-il déclaré. « Il se peut que ces conséquences ne soient pas celles auxquelles vous vous attendiez, mais il serait imprudent de les ignorer. »

Ressources supplémentaires

Découvrez des faits plus intéressants sur les trous blancs avec cet article de Fraser Cain sur Universe Today. Découvrez comment les trous blancs émergent des mêmes diagrammes espace-temps que les trous noirs dans la vidéo espace-temps de PBS. Explorez les parallèles entre un trou blanc et le Big Bang dans cet article de Nautilus.

Bibliographie