Que deviennent les trous noirs dans la théorie des supercordes ?

En relativité générale, le trou noir est un objet décrit principalement par la présence d’un horizon des événements, et secondairement par l’existence d’une singularité gravitationnelle en son sein. Si la théorie d’Einstein est actuellement la théorie consensuelle de la gravitation, le développement des théories à gravité quantique a apporté son lot de modifications concernant la description de certains objets astrophysiques. La théorie des supercordes, notamment, modifie ainsi radicalement la structure et la nature des trous noirs.

I. La double problématique des trous noirs

Même si l’existence des trous noirs est aujourd’hui indiscutable, leur structure et leur description théorique demeurent entachées de zones d’ombre. Dans le cadre de la relativité générale, les trous noirs représentent une solution aux équations du champ gravitationnel d’Einstein. Le critère principal identifiant un trou noir est la présence d’un horizon des événements, c’est-à-dire une zone de l’espace dans laquelle la vitesse de libération (la vitesse nécessaire pour s’échapper de l’attraction gravitationnelle d’un corps) est supérieure à la vitesse de la lumière dans le vide. La relativité générale prévoit en outre l’existence d’une singularité gravitationnelle au centre du trou noir, cachée par l’horizon des événements.

Si les équations d’Einstein offrent une description satisfaisante de l’horizon d’un trou noir, il en va différemment concernant la singularité. En effet, lorsqu’il s’agit d’étudier cet objet, la relativité générale s’avère impuissante devant les quantités infinies qui apparaissent. Cela est dû à l’émergence d’effets quantiques au sein du champ gravitationnel aux abords de la singularité, le problème ne pouvant être résolu que par une description quantique de la gravité, c’est-à-dire par le développement d’une théorie à gravité quantique viable.

Le devenir de l’information entrant dans un trou noir constitue également une sérieuse problématique. Dans la description classique des trous noirs, lorsqu’un objet passe la limite de l’horizon des événements, il n’en ressort jamais, et cela est également valable pour l’information transportée par l’objet qui est considérée détruite. Or, un principe fondamental de la mécanique quantique interdit toute perte d’information : c’est le principe de conservation de l’information.

Ce problème de perte potentielle de l’information dans les trous noirs est appelé « paradoxe de l’information ». Même si plusieurs hypothèses ont été émises afin de solutionner ce paradoxe, en faisant notamment intervenir le principe holographique, aucune ne bénéficie actuellement d’un cadre rigoureusement viable.

II. Les remplaçants des trous noirs dans la théorie des supercordes : les fuzzballs

La théorie des cordes est une théorie du tout, postulant l’existence d’objets élémentaires microscopiques : les cordes. Les cordes ont la longueur de Planck (10^-33 cm), et sont donc en théorie les plus petits objets de l’univers. Elles peuvent être ouvertes (segment) ou fermées (cercle), et vibrent selon des fréquences bien définies. Chaque fréquence correspondant à une particule du Modèle Standard.

Initialement, la théorie ne décrivait que les bosons, mais elle fut modifiée en 1971 afin d’incorporer la supersymétrie dans le but de décrire également les fermions : c’est la théorie des supercordes. La théorie des supercordes vise à offrir une description unifiée des quatre interactions fondamentales, elle constitue donc aussi à ce titre une théorie de la gravité quantique.

Dans deux publications parues en 2002 (1), les physiciens théoriciens cordistes Samir D. Mathur et Oleg Lunin de l’Université de l’Ohio proposent une nouvelle description des trous noirs dans le cadre de la théorie des supercordes. Dans ce modèle, les trous noirs sont remplacés par des fuzzballs (littéralement « balles floues »). Les fuzzballs sont des entremêlements sphériques de cordes, c’est-à-dire de véritables balles de cordes. Cela constitue un milieu pouvant être perçu comme l’ultime stade de la matière dégénérée. Dès lors, la première conséquence de ce modèle est la disparition de la singularité gravitationnelle présente au sein des trous noirs classiques.

III. Comment fonctionnent les fuzzballs ?

Bien que la structure des fuzzballs diffèrent grandement de celle des trous noirs classiques, certaines caractéristiques demeurent les mêmes, notamment le rayon de Schwarzschild. En effet, la surface physique d’une fuzzball suit la même évolution que le rayon de Schwarzschild d’un trou noir. Ainsi, S. Mathur donne l’exemple suivant : pour une fuzzball et un trou noir d’environ 6.8 masses solaires, le rayon de Schwarzschild est de 20 km (vous pouvez vous amuser à le calculer vous-même à l’aide de notre Black Hole Calculator !).

En revanche, l’aspect de la surface des deux objets est différent. Là où l’horizon des événements d’un trou noir est somme toute bien défini, la surface d’une fuzzball est, quant à elle, floue, brumeuse, lorsqu’on l’observe à l’échelle microscopique. Cela est dû à la structure discontinue que forme l’entremêlement des cordes.

En outre, dans leur dynamique, les fuzzballs ont un comportement identique à celui des trous noirs classiques. L’espace-temps est courbé à leur périphérie, elles possèdent un disque d’accrétion et dilatent le temps conformément à la relativité générale. Toujours de la même manière que les trous noirs, les fuzzballs n’émettent aucune lumière, ils sont donc également « noirs », car les photons restent là aussi piégés par l’extrême influence gravitationnelle de la structure.

La densité d’une fuzzball est inversement proportionnelle à sa masse au carré. Ainsi, une fuzzball de 6.8 masses solaires possède une densité de 4 x 10¹⁷ kg/m³. En d’autres mots, la densité d’une fuzzball diminue lorsque sa masse augmente. Cela s’explique par le mécanisme suivant : lorsque de la matière, c’est-à-dire des cordes, chutent dans la fuzzball, elles fusionnent avec les cordes déjà présentes.

Plus une corde est courte, plus sa tension est élevée. À l’inverse, plus elle est longue, moins elle est tendue. Donc lorsque les cordes fusionnent, elles s’allongent, deviennent lâches, et la tension globale de la structure diminue, entraînant une diminution simultanée de la densité totale. Ce mécanisme, bien que fondamentalement plus complexe et différent, donne un résultat identique à celui élaboré par Schwarzschild pour les trous noirs classiques.

Lorsqu’une corde est absorbée par la fuzzball, elle fusionne donc avec les cordes formant déjà la structure. Ce qui signifie qu’au lieu d’être détruite, comme cela est censé être le cas pour la matière dans les trous noirs classiques, elle vient simplement s’ajouter à la structure préexistante. La conséquence directe de ce mécanisme est la préservation de l’information quantique transportée par la corde. De plus, le modèle des fuzzballs prévoit que l’information ainsi absorbée ne reste pas piégée par la structure, mais diffuse du centre vers la périphérie, où elle est réémise via le rayonnement de Hawking, solutionnant ainsi le problème du paradoxe de l’information.

Les travaux de Mathur et Lunin ont bénéficié par la suite de plusieurs approfondissements (2) au sein de la communauté des physiciens cordistes et le modèle des fuzzballs semblent aujourd’hui, dans ce cadre, s’imposer comme le remplaçant légitime des trous noirs classiques. Cependant, le modèle doit encore être travaillé, précisé et des contraintes doivent être posées dans le but d’observer les prédictions.

Sources : Arxiv.org (1 & 1b), Arxiv.org (2 & 2b)