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Qu’y a-t-il à l’intérieur des trous noirs ?

quoi interieur trous noirs couv
| ESA

Les trous noirs font certainement partie des objets les plus curieux du catalogue cosmique. Bien qu’ils soient étudiés depuis des dizaines d’années, certains aspects les concernant échappent encore aux physiciens. C’est notamment la question de l’intérieur des trous noirs. Point de matière concentré en une singularité gravitationnelle ou passage dans l’espace-temps ? Plusieurs hypothèses sont envisageables.

Suite à la publication de la théorie de la relativité générale par Albert Einstein il y a plus de 100 ans, les physiciens se sont attachés à étudier et mieux comprendre les trous noirs qui constituent des solutions aux équations du champ gravitationnel. Selon la relativité générale, l’intérieur d’un trou noir est occupé par une singularité gravitationnelle. Cependant, aujourd’hui, les physiciens savent que les singularités n’ont pas de réalité physique. Que peut bien donc contenir l’intérieur d’un trou noir ?

La gravité quantique des étoiles de Planck

Il se peut qu’au centre d’un trou noir, la matière ne soit pas écrasée en un point infiniment petit. Au lieu de cela, il pourrait y avoir une configuration de matière la plus petite possible, sur le plus petit volume possible.

C’est ce qu’on appelle une étoile de Planck, et c’est une possibilité théorique envisagée par la gravitation quantique à boucles (LQG), qui est elle-même une théorie hautement hypothétique de la gravité quantique. Dans le monde de la LQG, l’espace et le temps sont quantifiés ; c’est-à-dire qu’à l’échelle microscopique, l’espace-temps est discret, composé de minuscules sous-unités.

Cette fragmentation théorique de l’espace-temps offre un avantage certain :  il est impossible pour les singularités de se former à l’intérieur des trous noirs. Alors que la matière s’écrase sous l’immense effet gravitationnel d’une étoile qui s’effondre, elle rencontre une résistance. La discrétisation de l’espace-temps empêche la matière d’atteindre quelque chose de plus petit que la longueur de Planck (environ 1.68 ×10-35 mètres).

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Tout le matériau qui est tombé dans le trou noir est comprimé en une masse de la longueur de Planck. Cette résistance à la compression continue oblige finalement le matériau à rebondir, faisant des trous noirs des objets temporaires. Mais en raison des effets extrêmes de dilatation du temps autour des trous noirs, de notre point de vue dans l’Univers extérieur, il faut des milliards, voire des centaines de milliards d’années avant qu’ils n’explosent.

Les gravastars : des boites d’énergie noire

Une autre tentative d’éradication de la singularité qui ne repose pas sur des théories non testées de la gravité quantique est connue sous le nom de gravastar. La différence entre un trou noir et un gravastar est qu’au lieu d’une singularité, la gravastar est remplie d’énergie sombre. L’énergie sombre est une substance qui imprègne l’espace-temps, amenant à l’accélération de l’expansion de l’Univers.

Lorsque la matière tombe sur une gravastar, elle n’est pas capable de pénétrer réellement l’horizon des événements (en raison de l’énergie sombre contenue à l’intérieur) et elle s’écrase donc à sa surface et fusionne avec, constituant un condensat de Bose-Einstein. Mais en dehors de cette surface, les gravastars ressemblent et agissent comme des trous noirs normaux.

Cependant, des observations récentes de fusion de trous noirs avec des détecteurs d’ondes gravitationnelles ont potentiellement exclu l’existence de gravastars, car la fusion des gravastars donnerait un signal différent de celle des trous noirs.

Rotation et singularité annulaire

L’idée d’un point unique de densité infinie vient de notre conception des trous noirs stationnaires, non rotatifs, non chargés. Les trous noirs les plus réalistes sont en rotation. La rotation d’un trou noir étire la singularité en un anneau. Et selon les mathématiques de la théorie de la relativité générale d’Einstein, une fois que vous passez par la singularité annulaire, vous entrez dans un trou de ver et sortez par un trou blanc dans une zone différente de l’Univers.

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La solution exacte pour un trou noir avec à la fois masse et moment angulaire a été trouvée par Roy Kerr en 1963. Elle a révélé, au lieu d’un seul horizon des événements avec une singularité ponctuelle, un horizon des événements interne et externe, ainsi qu’un horizon interne et externe, une ergosphère externe, et une singularité annulaire de rayon substantiel. Crédits : Matt Visser

Cependant, l’intérieur des trous noirs en rotation est extrêmement instable selon ces mêmes calculs. La singularité, étirée en anneau, tourne à une vitesse tellement élevée qu’elle possède une force centrifuge incroyable. Et en relativité générale, des forces centrifuges assez fortes agissent comme de l’antigravité : elles repoussent au lieu d’attirer.

Cela crée une limite à l’intérieur du trou noir, appelée l’horizon intérieur. En dehors de cette région, le rayonnement tombe vers l’intérieur vers la singularité, contraint par l’extrême attraction gravitationnelle. Mais le rayonnement est poussé par l’antigravité près de la singularité annulaire, dont la limite est l’horizon intérieur. Si vous rencontriez l’horizon intérieur, vous feriez face à un mur de rayonnement infiniment énergétique.

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