La mort des trous noirs pourrait finalement se dérouler bien différemment qu’on le pensait

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| Issu de "Black Hole Death", une création originale par Jonathan Paiano pour Trust My Science (licence accessible ici)
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Les trous noirs, objets célestes si compacts que l’intensité de leurs champs gravitationnels empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper, passionnent scientifiques et amateurs. Parmi les nombreux mystères qu’ils font perdurer, celui du déroulement de leur mort est l’un des plus intrigants. Stephen Hawking avait démontré la probabilité d’évaporation et de disparition des trous noirs, mais malheureusement en contradiction avec la relativité générale : c’est le paradoxe de l’information. Récemment, une équipe de chercheurs a exploité une théorie connue sous le nom de « gravité d’Einstein-dilaton-Gauss-Bonnet » pour étudier les états finaux des trous noirs en évaporation. Leur découverte, qui doit encore être confirmée, porte un nouveau regard sur ces objets célestes. 

Un trou noir est un objet céleste dont la gravité est si intense qu’il avale tout ce qui se trouve au-delà de son « horizon des événements », y compris la lumière. L’horizon des événements d’un trou noir représente la frontière au-delà de laquelle rien ne peut ressortir. Ces objets célestes sont une partie essentielle de la structure de l’Univers. La forte gravité engendrée par les trous noirs (ou par la singularité plus précisément) se produit parce que la matière a été compressée dans un espace infime. Cela peut se produire à la fin de la vie d’une étoile, faisant de nombreux trous noirs le résultat d’étoiles mourantes. D’ailleurs, il y a des trous noirs au centre de la plupart des galaxies, y compris la nôtre. Mais nous ne savons toujours pas exactement comment ces objets meurent.

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Stephen Hawking avait démontré la possibilité d’évaporation des trous noirs, un phénomène qu’il baptisa rayonnement d’Hawking. En d’autres termes, il s’agit d’un rayonnement qu’émettrait tout trou noir du fait des lois de la mécanique quantique, et qui provoque son évaporation par perte de masse, de moment cinétique si le trou noir est en rotation et de charge électrique s’il est chargé.

Mai selon la relativité générale, ce phénomène est impossible, car rien de ce qui pénètre l’horizon des événements du trou noir ne peut en sortir. Cette théorie prédit néanmoins l’existence de points de densité infinie où les lois de la physique s’effondrent : les singularités. C’est ce qui se trouve au centre des trous noirs, où est concentrée toute la matière de l’étoile. Alors, que s’y passe-t-il lorsque le trou noir s’évapore ? Des scientifiques se sont appuyés sur une théorie particulière pour étudier ces états finaux. Leurs résultats sont disponibles sur arXiv, en attente de révision par les pairs.

Une nouvelle théorie pour comprendre la mort des trous noirs

L’apparition du rayonnement de Hawking a donc créé le paradoxe de l’information du trou noir. En mars 2022, des scientifiques avaient posé l’hypothèse selon laquelle les trous noirs n’engloutiraient pas à jamais les informations qui tomberaient en leur sein : celles-ci s’imprimeraient plutôt dans leur champ gravitationnel.

De plus, en étudiant le processus de rayonnement de Hawking, il serait possible de comprendre la physique d’une singularité, renfermant potentiellement les informations englouties par le trou noir. Au fur et à mesure que les trous noirs s’évaporent, ils deviennent de plus en plus petits et leurs horizons des événements se rapprochent des singularités centrales. Dans les derniers instants de la vie des trous noirs, la gravité devient trop forte et les trous noirs deviennent trop petits pour être décrits et compris à travers le prisme des connaissances actuelles. Il devient donc nécessaire de développer une meilleure théorie de la gravité.

Certes, la relativité et la mécanique quantique ne fonctionnent pas très bien ensemble, mais utiliser les différents éléments que ces deux théories proposent est une voie possible. Il existe de nombreux candidats pour une théorie quantique de la gravité, à partir de la relativité générale modifiée. Les chercheurs de l’étude se sont intéressés à la théorie connue sous le nom de gravité d’Einstein-dilaton-Gauss-Bonnet.

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La mort insoupçonnée des trous noirs

Les détails des résultats de l’équipe sont malheureusement un peu flous. En effet, la relativité générale modifiée n’est pas aussi bien comprise que la relativité générale classique, et la résolution des équations repose sur de nombreuses conjectures. Pourtant, les chercheurs ont pu décrire la mort d’un trou noir selon la nature et l’évolution de ce dernier.

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Il faut savoir que l’une des principales caractéristiques de la théorie de la gravité d’Einstein-dilaton-Gauss-Bonnet est que les trous noirs ont une masse minimale, de sorte que les auteurs ont pu étudier ce qui se passe lorsqu’un trou noir en évaporation commence à atteindre cette masse minimale.

C’est ainsi que, d’une part, le processus d’évaporation peut laisser derrière lui une « pépite microscopique » résiduelle, dépourvue d’horizon des événements. Les auteurs estiment qu’en théorie, il serait alors possible de récupérer cette « pépite » contenant toutes les informations tombées dans le trou noir d’origine, résolvant ainsi le paradoxe de l’information. D’autre part, le trou noir pourrait atteindre sa masse minimale et se débarrasser de son horizon des événements tout en conservant sa singularité. Ces « singularités nues » semblent interdites dans la relativité générale, mais si elles existent, elles seraient des fenêtres directes sur le domaine de la gravité quantique.

En attendant confirmation quant à la possibilité que la gravité Einstein-dilaton-Gauss-Bonnet puisse représenter une voie valide vers la gravité quantique, des résultats comme ceux exposés dans cette étude aideront les physiciens à élaborer des scénarios valables quant à l’évolution des trous noirs.

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Source : arXiv

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