Un mini univers fractal existerait dans les hypothétiques trous noirs chargés

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Depuis la publication de la théorie de la relativité générale par Albert Einstein, les physiciens ont travaillé à chercher les différentes solutions de type trou noir aux équations du champ gravitationnel. Trou noir stationnaire, trou noir en rotation, trou noir stationnaire chargé, trou noir en rotation chargé, etc. Certains de ces trous noirs sont supposés exister dans notre univers, et d’autres, très théoriques, dans des univers de configurations différentes. Des physiciens théoriciens se sont penchés sur des trous noirs chargés entourés d’un type d’espace très particulier, et ils ont découvert que l’intérieur de ces objets était un espace-temps extrêmement chaotique constituant un univers fractal exotique.

Les auteurs ont étudié un trou noir chargé électriquement entouré d’un certain type d’espace, connu sous le nom « d’espace anti-de Sitter ». Sans entrer trop dans le vif du sujet, ce type d’espace a une courbure géométrique négative constante, comme une selle de cheval, qui, nous le savons, n’est pas une bonne description de notre univers. (Un univers anti-de Sitter aurait une constante cosmologique négative, ce qui signifie que toute matière aurait tendance à se condenser dans un trou noir, par rapport à l’expansion accélérée observée dans notre univers).

Mieux comprendre les phénomènes physiques de notre univers

Même si cela ne correspond pas à notre univers, il s’avère que ces trous noirs exotiques ont encore des structures étonnamment complexes qui méritent d’être explorées. L’une des raisons pour lesquelles cette exploration est bienvenue est que les trous noirs chargés partagent de nombreuses similitudes avec les trous noirs rotatifs, qui existent dans notre univers, mais les trous noirs chargés sont mathématiquement plus simples à gérer.

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Ainsi, en étudiant les trous noirs chargés, nous pouvons obtenir des informations sur les trous noirs rotatifs du monde réel. En outre, les physiciens ont découvert que lorsque ces trous noirs deviennent relativement froids, ils créent un « brouillard » de champs quantiques autour de leurs surfaces. Cette brume colle à la surface, attirée vers l’intérieur par la gravité du trou noir lui-même, mais poussée vers l’extérieur par la répulsion électrique du même trou noir.

Un brouillard de champs quantiques stable fonctionnant sur une surface est également connu sous le nom de supraconducteur. Les supraconducteurs ont des applications dans le monde réel, donc voir quel rôle jouent les supraconducteurs dans ces scénarios exotiques nous aide à comprendre leurs structures mathématiques, ce qui peut potentiellement conduire à de nouvelles connaissances avec des applications réelles. Dans une étude publiée sur le serveur de préimpression arXiv, une équipe de chercheurs a donc utilisé le langage de la supraconductivité pour découvrir ce qui se trouve plus loin sous la surface de ces hypothétiques trous noirs.

Un trou de ver central infranchissable

Les trous noirs chargés ont une structure interne quelque peu étrange. Premièrement, au-delà de l’horizon des événements, se trouve l’horizon intérieur, une région d’énergies quantiques intenses. Au-delà, il y a un trou de ver, un pont vers un trou blanc dans une autre section de l’univers (du moins, selon les mathématiques).

Nous ne savons pas vraiment si des trous de ver comme celui-ci existent réellement, parce que les mathématiques des trous noirs chargés s’affaiblissent à l’horizon intérieur, et rien de plus ne peut être appris jusqu’à ce que nous développions une nouvelle physique. Heureusement, les trous noirs chargés entourés d’un espace anti-de Sitter, que nous appellerons pour l’instant trous noirs supraconducteurs, évitent ce problème.

La bonne nouvelle est que l’horizon intérieur d’un trou noir supraconducteur se décompose, vous permettant de le franchir en douceur sans vous faire « spaghettifier » comme vous le seriez dans un trou noir ordinaire. La mauvaise nouvelle est que le trou de ver à l’intérieur d’un trou noir supraconducteur se déchire également, vous ne pouvez donc pas l’utiliser pour voyager.

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Espace-temps chaotique et univers fractal

Mais cela ne veut pas dire que rien d’intéressant ne vous arrive. Juste à l’intérieur de ce qui aurait été l’horizon intérieur, l’intérieur d’un trou noir supraconducteur devient un peu mousseux. Normalement, les particules dans un supraconducteur réel peuvent osciller, supportant des ondes qui se balancent dans un effet connu sous le nom d’oscillations Josephson. Et au fond de ces trous noirs, l’espace lui-même vibre d’avant en arrière. Si vous tombiez physiquement dedans, vous seriez soumis à un extrême chaos.

graphique oscillations Josephson supraconducteur
Graphique montrant les oscillations de Josephson dans le régime supraconducteur. Les mêmes oscillations affecteraient l’espace-temps dans les trous noirs chargés. Crédits : Sean A. Hartnoll et al. 2020

Mais une fois que vous avez dépassé l’espace-temps en vibration, ce qui vient ensuite est vraiment surprenant. Les chercheurs ont découvert que les régions les plus internes d’un trou noir supraconducteur peuvent présenter un univers miniature en expansion, un endroit où l’espace peut s’étirer et se déformer à différentes vitesses dans différentes directions.

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De plus, en fonction de la température du trou noir, certaines de ces régions de l’espace peuvent déclencher un nouveau cycle de vibrations, qui créent ensuite une nouvelle zone d’espace en expansion, qui déclenchent un nouveau cycle de vibrations, qui créent ensuite une nouvelle zone d’expansion, etc., à des échelles toujours plus petites.

Ce serait un mini univers fractal, se répétant à l’infini, des plus grandes échelles aux plus petites. Il est impossible de décrire ce que ce serait de traverser un tel paysage, mais ce serait certainement très étrange. Au centre de ce mystérieux désordre fractal et chaotique se trouve la singularité : le point de densité infinie, l’endroit où réside chaque parcelle de matière qui est jamais tombée dans le trou noir.

Sources : arXiv

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