Malgré la première image reconstruite d’un trou noir publiée l’année dernière par la collaboration de l’Event Horizon Telescope, ces objets cosmiques posent encore de nombreuses questions aux cosmologistes car, bien qu’ils soient décrits par la théorie de la relativité générale, leur description complète et correcte nécessite également l’usage de la mécanique quantique au sein d’une théorie de la gravité quantique. Récemment, des physiciens théoriciens ont proposé une manière de contourner partiellement cet écueil en appliquant le principe holographique aux trous noirs.
Selon de nouvelles recherches menées par les instituts SISSA, ICTP et INFN, les trous noirs pourraient être comme un hologramme, où toutes les informations sont concentrées sur une surface bidimensionnelle capable de reproduire une image tridimensionnelle. De cette façon, ces corps cosmiques pourraient être incroyablement complexes et concentrer une énorme quantité d’informations, comme le plus grand disque dur en 2D qui existe dans l’Univers. L’étude a été publiée dans la revue Physical Review X.
Selon la relativité générale, ce seraient de simples corps sans information. Selon la mécanique quantique, comme le prétendent Jacob Bekenstein et Stephen Hawking, ils seraient les systèmes existants les plus complexes car ils seraient caractérisés par une énorme entropie, qui mesure la complexité d’un système, et par conséquent contiendraient énormément d’information.
Le principe holographique appliqué aux trous noirs
Pour étudier les trous noirs, les deux auteurs de la recherche, Francesco Benini (professeur SISSA, consultant scientifique ICTP et chercheur INFN) et Paolo Milan (chercheur SISSA et INFN), ont utilisé une idée vieille de près de 30 ans, mais toujours surprenante, appelée principe holographique. Plus précisément, les auteurs ont utilisé la correspondance AdS/CFT ou dualité de Madacena ; un outil permettant de passer d’une théorie quantique des champs sans gravité (comme le Modèle Standard) à une théorie de la gravité quantique— en l’occurrence la théorie des cordes — et vice-versa. Ceci afin de faciliter certains calculs mathématiques extrêmement complexes.
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« Ce principe révolutionnaire et quelque peu contre-intuitif propose que le comportement de la gravité dans une région donnée de l’espace puisse alternativement être décrit comme un système différent, qui vit seulement le long du bord de cette région et donc dans une dimension de moins. Et, plus important encore, dans cette description alternative (appelée holographique), la gravité n’apparaît pas explicitement. En d’autres termes, le principe holographique nous permet de décrire la gravité en utilisant un langage qui ne contient pas la gravité, évitant ainsi les frictions avec la mécanique quantique ».
Ce que Benini et Milan ont fait, c’est d’appliquer la théorie du principe holographique aux trous noirs. De cette façon, leurs mystérieuses propriétés thermodynamiques sont devenues plus compréhensibles : « grâce à la mécanique quantique, vous pouvez les décrire comme un hologramme : ils ont deux dimensions, dans lesquelles la gravité disparaît, mais ils reproduisent un objet gravitationnel en trois dimensions ».
Un trou noir
est un objet compact au champ gravitationnel si intense qu'aucune
matière ni aucun rayonnement ne peut s'en échapper. Puisque ces
astres n'émettent aucune lumière, ils ne peuvent être... [...]