Les ondes gravitationnelles pourraient démontrer que les trous noirs n’existent pas mais sont des boules de cordes

Selon certains calculs en théorie des supercordes, les trous noirs n’existeraient pas mais à la place se formeraient des objets ayant des propriétés similaires appelés des « fuzzballs ». Ces boules diffuses de supercordes auraient des signatures particulières sous forme d’ondes gravitationnelles lors de collisions d’astres que nous pensons, à tort, être de vrais trous noirs.

Depuis la détection des ondes gravitationnelles en 2015 et à un moindre degré grâce aux images de la collaboration Event Horizon Telescope, on pourrait croire que l’existence des trous noirs est un fait avéré. On peut le penser mais on ne peut pas encore l’affirmer et une récente publication dans le célèbre et réputé journal Physical Review D apporte de l’eau au moulin de ceux qui pensent que non seulement les trous noirs n’existent pas mais qu’il sera bientôt possible de le démontrer grâce à l’astronomie gravitationnelle et aux progrès des détecteurs tels Ligo et Virgo.

L’article à ce sujet provient d’une équipe de physiciens basée à l’université de Rome « La Sapienza », la principale université italienne, et il est en accès libre sur arXiv. Pour comprendre de quoi il en retourne, remontons au début des années 1980, alors que ce qui a été baptisé l’âge d’or de la théorie des trous noirs prend fin, et que les théories de la supergravité et dans une moindre mesure des supercordes sont en plein essor.

Suite à ses impressionnants travaux en astrophysique, Subrahmanyan Chandrasekhar se voit remettre le prix Nobel de physique en 1983. Comme d’habitude pour la remise de ce prix, le lauréat donne une conférence. À la fin de celle du grand astrophysicien indien, on trouve de fascinantes remarques concernant la théorie mathématique des trous noirs, qui sont à peu près les suivantes :

« Je ne sais pas si toute la portée de ce que j’ai dit est claire. Laissez-moi vous expliquer. Les trous noirs sont des objets macroscopiques avec des masses variant de quelques masses solaires à des milliards de masses solaires. Lorsqu’ils peuvent être considérés comme stationnaires et isolés, ils sont tous, chacun d’entre eux, décrits exactement par la solution de Kerr. C’est le seul cas connu où nous avons une description exacte d’un objet macroscopique.

Les objets macroscopiques tout autour de nous sont régis par une variété de forces, décrites par diverses approximations de plusieurs théories physiques.

En revanche, les seuls éléments de construction de trous noirs sont nos concepts de base de l’espace et du temps. Ils sont ainsi, presque par définition, les objets macroscopiques les plus parfaits de l’Univers. Et puisque la théorie de la relativité générale nous fournit une famille de solutions dépendant uniquement de deux paramètres pour leur description, ils sont aussi les objets les plus simples de l’Univers. »

Cette simple remarque est à la racine du fameux paradoxe de l’information découlant de la découverte par Stephen Hawking du fameux rayonnement quantique des trous noirs.

En effet, les remarques de Chandrasekhar concernent la théorie des trous noirs déduite rigoureusement de la théorie de la relativité générale d’Einstein. Comme Hawking et un autre prix Nobel de physique, Roger Penrose vont abondamment le montrer avec leurs collègues, dans le cadre de cette théorie on se doit de considérer que ce qui définit un trou noir c’est uniquement l’existence d’un horizon des événements et absolument pas l’existence d’une singularité de l’espace-temps. Cet horizon des événements est une surface fermée constituant une frontière entourant une région dans laquelle on ne peut qu’entrer et jamais sortir, car il faudrait pour cela dépasser la vitesse de la lumière. On le décrit parfois comme une membrane que l’on ne peut traverser que dans un seul sens et comme toutes les membranes c’est en fait un objet dynamique qui peut vibrer, se déformer, s’étirer mais qui aurait la particularité de ne jamais pouvoir se déchirer.

L’entropie et la théorie de l’information paradoxale des trous noirs
Mais selon les calculs d’Hawking, en décrivant quantiquement le comportement de la lumière et de la matière autour d’un trou noir, ces objets très compacts se mettraient à rayonner comme le ferait un corps chauffé, plus précisément ce que l’on appelle un corps noir. Or, selon la théorie de la thermodynamique ce rayonnement implique qu’un trou noir possède une quantité que l’on appelle l’entropie. Dans tous les systèmes physiques connus, une grande entropie est associée à un objet très complexe dans le sens où il est constitué de très nombreuses particules décrites par un très grand nombre de paramètres et dont on devrait disposer d’un grand nombre d’informations pour les caractériser. Quand un gaz tombe dans un trou noir, cette information n’est plus disponible pour un observateur extérieur. Impossible aussi pour les mêmes raisons de communiquer avec une sonde qui traverserait l’horizon et d’avoir des informations précieuses sur ce que verrait cette sonde puisqu’elle ne pourrait pas envoyer des ondes radio à l’extérieur du trou noir – de plus toute information contenue uniquement dans la mémoire de cette sonde serait irrémédiablement perdue puisque incommunicable à l’extérieur du trou noir.

En pratique donc, depuis la définition de l’information et de l’entropie donnée à partir des travaux de Claude Shannon et de John von Neumann, la perte d’information engendrée par l’horizon des événements se traduit par une entropie. Hawking, en particulier, avait montré avant sa découverte du rayonnement des trous noirs que la surface de l’horizon des événements devait croître quand un trou noir avale quelque chose et cela en plein accord avec la loi de la croissance de l’entropie de la thermodynamique si l’on identifiait la valeur de l’entropie d’un trou noir au produit de la surface de son horizon par une constante de proportionnalité appropriée.

En ayant les déclarations de Chandrasekhar à l’esprit, on comprend tout de suite que quelque chose ne va pas. Les trous noirs sont caractérisés rigoureusement par un petit nombre de paramètres, la masse, le moment cinétique et la charge, indépendamment du fait que l’objet d’une masse donnée qui tomberait dedans soit un bloc de fer ou un livre contenant bien plus d’informations.

En conséquence, les trous noirs ne devraient pas pouvoir contenir beaucoup d’information et une partie ne serait pas simplement cachée mais détruite, ou pour le moins c’est ce que l’on pourrait naïvement en déduire de prime abord de sorte que les trous noirs ne devraient pas pouvoir être dotés d’une forte entropie d’une façon cohérente avec les principes fondamentaux de la physique connue, contrairement à ce qu’impliquent les lois de la thermodynamique et de la mécanique quantique appliquée à ces objets, issues de la théorie de la relativité générale d’Einstein.

Nous sommes donc confrontés à un paradoxe qui est précisément celui de l’information avec des trous noirs. Il devrait exister des paramètres cachés en très grand nombres derrière le petit nombre de paramètres décrivant un trou noir et les solutions de la théorie d’Einstein ne serait donc que des descriptions artificiellement simplifiées d’un système physique qui pourrait contenir autant de degrés de libertés (positions et vitesses de particules) qu’un gaz comme disent les physiciens dans leur jargon. Les trous noirs ne devraient donc pas être des objets parfaitement « lisses » et simples de la même façon que la Terre n’est pas une sphère de matière parfaitement sphérique et constituée d’un matériau simple et homogène.

Depuis presque une décennie, l’étude de ce paradoxe a conduit à de nouveaux problèmes dont l’un a été débusqué par Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski et James Sully. Il est connu sous le nom de controverse du « pare-feu » (firewall en anglais). Futura a consacré les deux précédents articles, ci-dessous, à sa résolution de sorte que nous ne la détaillerons pas et qu’il sera utile au lecteur pour la suite de s’y référer avant de continuer, mais pas forcément en première lecture.

Il suffit en effet de savoir que l’une des solutions à ce paradoxe est d’admettre que les trous noirs se comportent bel et bien dans beaucoup de situations astrophysique et physique comme s’ils possédaient en pratique un horizon des événements, mais que dans l’absolu ce n’est pas vrai. Un horizon des événements ne serait que ce qu’on appelle en physique un concept effectif et pas fondamental, tout comme il est pratique de considérer que l’eau ou l’air sont des fluides continus permettant des calculs avec les équations de Navier-Stokes, alors qu’en réalité nous savons bien qu’ils sont formés de molécules.

Un gaz de surpercordes autogravitant
On a souvent avancé qu’une théorie quantique de la gravitation et de son couplage à la matière permettrait de résoudre toutes les questions laissées en suspens avec les trous noirs, en supprimant notamment les singularités au cœur des solutions de trous noirs connues en relativité générale. Depuis des années, des physiciens et en particulier Samir Mathur de l’université d’État de l’Ohio ont avancé que ce doit effectivement être le cas en utilisant la théorie de supercordes laquelle impliquerait qu’au-delà du stade d’effondrement d’une étoile à neutrons devenant un trou noir, l’objet un peu plus compact formé serait en fait une boule de supercordes baptisée « fuzzballs » en anglais, une théorie que l’on doit précisément à Samir Mathur.

Si l’on suppose que les particules de matière et même toutes les particules quantiques fondamentales, gluons et bosons de Brout-Englert-Higgs inclus, sont des supercordes vibrantes, alors les calculs montrent que la matière d’une étoile s’effondrant sans recours sous l’horizon des événements associée au trou noir qu’elle semble devenir ne devrait pas finir sous la forme d’un point de densité infini au lieu où l’espace-temps lui-même s’anéantit selon la théorie non quantique d’Einstein, au cœur d’un trou noir. Les supercordes quantiques s’étireraient et s’allongeraient au point de former une sorte de gaz quantique diffus occupant tout le volume à l’intérieur d’un horizon des événements qui ne serait qu’effectif, un peu comme l’est ce qui tient lieu de surface pour le Soleil.

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/trou-noir-ondes-gravitationnelles-pourraient-demontrer-trous-noirs-nexistent-pas-mais-sont-boules-cordes-51891/

Un trou noir supermassif sur 10 errerait autour des galaxies

Les trous noirs géants ne sont pas tous tapis sagement au cœur des galaxies. Certains sont nomades et on peut parfois les observer dans le domaine des rayons X, probablement à la suite d’une rencontre avec une étoile. De récentes simulations de collisions entre galaxies contenant ces trous noirs géants laissent maintenant penser qu’environ 10 % de la masse du cosmos contenue dans des trous noirs supermassifs l’est dans des astres de genre errant dans les halos de matière noire des galaxies.

Au début des années 1960 la découverte des quasars a stupéfié les astronomes. Si l’on prenait leurs décalages spectraux vers le rouge au sérieux en accord avec la loi de Hubble-Lemaître, il fallait les considérer comme distants de plusieurs milliards d’années-lumière et incroyablement lumineux, trop pour que le rayonnement produit soit l’effet des réactions thermonucléaires dans des étoiles. Aussi, dès 1964, les grands astrophysiciens russes Yakov Zel’dovich et Igor Novikov (et l’États-unien Edwin Salpeter) avaient-ils proposé que les quasars, plus généralement les noyaux actifs de galaxies, soient des trous noirs supermassifs accrétant de la matière. En 1971, Donald Lynden-Bell et Martin Rees proposaient de leur côté qu’il en existait un au cœur de la Voie lactée. Au moins depuis le début des années 1990, il semblait clair que la plupart des grandes galaxies devaient probablement abriter en leur centre l’un de ces astres compacts, ce que les observations ne cessèrent de soutenir. Aujourd’hui, on peut même en faire des images comme l’ont montré les membres de l’Event Horizon Telescope avec M87*.

Les observations montrent aussi des galaxies en collision et il est devenu clair que dans certains cas au moins, les fusions de galaxies allaient conduire à des fusions de trous noirs supermassifs, ce qui contribuait à leur croissance et rendait en partie compte des masses atteintes par ces objets, allant de quelques millions à plusieurs dizaines de milliards de masses solaires. De fait aussi, on voit clairement dans certaines galaxies deux voire trois trous noirs supermassifs, ce qui s’explique bien si ce mécanisme de croissance est opérant. On a des raisons de penser malgré tout depuis une dizaine d’années, d’abord en raison de simulations et finalement là aussi d’observations, que l’essentiel de la croissance de ces objets se fait par l’accrétion de courants froids d’hydrogène et d’hélium canalisés par des filaments de matière noire.

Des trous noirs supermassifs qui ne « sédimentent » pas au cœur des galaxies
Parmi les simulations cosmologiques savantes sur des superordinateurs permettant de comprendre ce qui se passe dans le royaume des galaxies et leurs interactions avec les trous noirs supermassifs qu’elles contiennent, il y a celle appelée Romulus. Elle tient compte d’un grand nombre de corps célestes et d’une série de boucles de rétroactions dérivant de plusieurs phénomènes relevant d’une description non linéaire de la physique en jeu. La simulation Romulus tient notamment compte d’une modélisation plus précise de l’accrétion de la matière par un trou noir supermassif ainsi que de la fameuse formule dite de « friction dynamique » du grand astrophysicien indien et prix Nobel de physique Chandrasekhar décrivant la perte d’énergie d’un corps céleste massif, comme une étoile ou un trou noir, en mouvement dans le gaz autogravitant d’étoiles dans une galaxie.

Dans le cadre de la simulation Romulus, la prise en compte de cette formule montre notamment que les trous noirs supermassifs peuvent mettre beaucoup de temps avant d’entrer en coalescence après la fusion des deux galaxies qui les contenaient, voire rester en orbite autour de la galaxie produite.

L’astrophysicien Angelo Ricarte, du Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA) vient de publier avec ses collègues Michael Tremmel, Priyamvada Natarajan, Charlotte Zimmer, tous de l’université de Yale, et Thomas Quinn de l’université de Washington, un article intéressant dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society et en accès libre sur arXiv, faisant état de nouveaux résultats à ce sujet avec la simulation Romulus.

C’est la suite de travaux qu’ils mènent à ce sujet depuis plusieurs années et ils annoncent être arrivés à une prédiction étonnante. Environ 10 % de la masse contenue sous forme de trous noirs supermassifs ne se trouve pas sous la forme de ces astres compacts au cœur des galaxies mais bien sous la forme de trous noirs supermassifs errant autour des grandes galaxies, dans leur halo de matière noire, et laissés dans cette situation à l’occasion de fusions mineures de galaxies.

Cette portion était de plus en plus grande au fur et à mesure que l’on remonte dans le passé.

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/trous-noirs-trou-noir-supermassif-10-errerait-autour-galaxies-64685/