La théorie des cordes résout le mystère du comportement des photons autour d’un trou noir

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Aux abords d’un trou noir, comme c’est le cas avec l’image de M87* obtenue par l’Event Horizon Telescope, il est possible d’observer une sphère lumineuse entourant l’horizon des événements ; il s’agit de la sphère de photons. Ces photons, capturés par la gravité du trou noir, se placent en orbite autour de celui-ci pour une durée indéterminée. Si le phénomène paraît simple d’apparence, sa description physico-mathématique est bien plus complexe. Les trajectoires courbes adoptées par les photons autour des trous noirs conduisent à d’importantes singularités dans les calculs décrivant la dynamique des photons. Cependant, des physiciens ont récemment démontré que ces singularités disparaissent lorsque la théorie des cordes est appliquée.

Dans une théorie quantique des particules ponctuelles, une quantité fondamentale est la fonction de corrélation, qui mesure la probabilité qu’une particule se propage d’un point à un autre. La fonction de corrélation développe des singularités (indéterminations mathématiques) lorsque les deux points sont reliés par des trajectoires de type lumière. Dans un espace-temps plat, il existe une trajectoire unique, mais lorsque l’espace-temps est incurvé, il peut y avoir de nombreuses trajectoires de type lumière reliant deux points.

Ceci est le résultat de la lentille gravitationnelle, qui décrit l’effet de la géométrie courbe sur la propagation de la lumière. Dans le cas de l’espace-temps d’un trou noir, il y a des trajectoires de type lumière qui s’enroulent autour du trou noir plusieurs fois, résultant en une sphère de photons, comme on le voit dans les images récentes de l’Event Horizon Telescope (EHT) concernant le trou noir supermassif au centre de la galaxie M87.

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Publiées le 10 avril 2019, les premières images de la collaboration EHT ont capturé l’ombre d’un trou noir et sa sphère de photons, l’anneau de lumière qui l’entoure. Une sphère de photons peut se produire dans une région d’un trou noir où la lumière entrant dans une direction horizontale peut être forcée par gravité à se déplacer sur diverses orbites. Ces orbites conduisent à des singularités dans la fonction de corrélation susmentionnée.

Une solution apportée par la théorie des cordes

Cependant, il existe des cas où les singularités générées par les trajectoires s’enroulant autour d’un trou noir à plusieurs reprises contredisent les prédictions de la physique. Dodelson et Ooguri ont montré que de telles singularités sont résolues en théorie des cordes. Dans la théorie des cordes, chaque particule est considérée comme un état excité (vibratoire) particulier d’une corde.

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Vue d’artiste d’une corde passant près d’un trou noir. Au fur et à mesure que la corde s’approche du trou noir, elle s’étire progressivement. Puis, en passant devant le trou noir, elle commence à vibrer. L’image de fond, qui a été capturée par l’Event Horizon Telescope, représente l’ombre du trou noir supermassif au centre de la galaxie M87, y compris la sphère de photons qui l’entoure. © EHT Collaboration ; Kavli IPMU

Lorsque la particule se déplace le long d’une trajectoire de type lumière autour d’un trou noir, la courbure de l’espace-temps conduit à des effets de marée, qui étirent la corde. Dodelson et Ooguri ont montré que si l’on tient compte de ces effets, les singularités disparaissent en cohérence avec les attentes physiques. Leur résultat montre qu’une théorie de la gravité quantique cohérente doit contenir des objets étendus tels que des cordes, comme degrés de liberté.

« Nos résultats montrent comment les effets théoriques des cordes sont améliorés près d’un trou noir. Bien que les effets que nous avons trouvés ne soient pas assez forts pour avoir une conséquence observable sur l’image du trou noir de l’ETH, des recherches supplémentaires pourraient nous montrer un moyen de tester la théorie des cordes en utilisant les trous noirs », conclut Ooguri.

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Sources : Physical Review D

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