La lumière peut-elle former un trou noir ?

Si lumière et trou noir semblent parfaitement opposés de prime abord, la relativité générale nous apprend que ce n’est en réalité pas tout à fait le cas. En effet, les équations d’Einstein démontrent qu’à l’instar d’une étoile qui s’effondre, la lumière peut-elle aussi « s’effondrer » et former un trou noir.

En janvier 1955, le physicien américain John Archibald Wheeler, expert mondialement reconnu concernant la relativité générale et les trous noirs, publie « Geons », un ensemble de travaux étudiant le comportement des ondes électromagnétiques soumises à la gravité (1). Plus particulièrement, Wheeler étudie la manière dont une onde électromagnétique peut être confinée dans une région de l’espace-temps, sous l’effet de l’attraction gravitationnelle générée par son propre champ d’énergie.

En s’appuyant sur les équations du champ gravitationnel de la relativité générale, Wheeler montre que si une très grande quantité de photons se trouve confinée au sein d’une très petite région de l’espace-temps, alors cette concentration extrême d’énergie pourrait naturellement aboutir à la formation d’un horizon des événements, et donc d’un trou noir (1). À ce titre, le physicien nomme ce phénomène « kugelblitz », littéralement « boule de foudre » ou « foudre en boule ».

Bien que la relativité générale décrive la manière dont les masses courbent l’espace-temps, celle-ci, avant d’être une théorie de la masse, est avant toute chose une théorie de l’énergie. Pour Einstein, la gravité en tant que déformation géométrique de l’espace-temps, résulte de la présence d’énergie. Ce n’est qu’ensuite, à travers la célèbre formule de l’équivalence énergie-masse E=mc², que la conversion de l’une à l’autre est effectuée.

En d’autres mots, pour la gravité, nulle différence entre énergie et matière. C’est pourquoi les photons possédant une masse nulle sont aussi sensibles à la gravité qu’un corps massif et sont également générateurs d’un champ gravitationnel

Pour autant, un kugelblitz n’est pas différent d’un trou noir « classique ». Seul son mécanisme de formation est différent. Contrairement au trou noir stellaire – issu de l’effondrement gravitationnel d’une étoile – et au trou noir primordial – issu de l’effondrement gravitationnel d’une zone de l’espace-temps sous l’effet de fluctuations de densité, le kugelblitz provient d’une concentration extrêmement importante de photons dans une région restreinte de l’espace-temps (2). La densité d’énergie est si élevée qu’un horizon des événements se forme, piégeant la lumière qui a conduit à sa formation et aboutissant à un trou noir.

Une fois formé, ce trou noir peut tout à fait être décrit par les équations de Schwarzschild, c’est-à- dire les équations utilisées pour décrire les trous noirs « classiques ». En effet, au regard des équations de la relativité générale, une fois l’horizon des événements formé, tous les types de trous noirs se confondent, la source de leur formation n’a plus aucune importance dès lors qu’ils sont mathématiquement traités de manière identique.

Suite aux travaux de Wheeler, la notion de kugelblitz a été reprise et approfondie par de nombreux physiciens. En outre, la question de la potentielle création artificielle d’un kugelblitz s’est naturellement posée ; cependant, les chercheurs ont démontré que, pour créer un kugelblitz de la taille de la Terre, cela nécessiterait de réunir la lumière émise pendant dix ans par toutes les étoiles situées dans une sphère de 350 années-lumière de rayon autour de la Terre (2)… Ça fait beaucoup.

Sources : 1 (Geons & Archiv.org), 2 (Arxiv.org)