Les trous noirs pourraient être des étoiles sombres abritant un noyau de Planck

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| ESA/flickr

Dans les solutions les plus simples aux équations du champ gravitationnel de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, les trous noirs sont constitués d’une singularité centrale et d’un horizon des événements. Toutefois, depuis quelques années, les physiciens ont compris que les singularités n’étaient pas des objets physiques concrets, mais représentaient des endroits où les mathématiques de la théorie d’Einstein devenaient insuffisantes. Des chercheurs ont récemment proposé qu’en lieu et place de cette structure classique, les trous noirs pourraient être en réalité des étoiles sombres abritant un noyau de Planck.

Selon une nouvelle étude, les trous noirs pourraient être des étoiles sombres abritant une physique exotique en leur sein. Ces étoiles sombres émettraient un type étrange de rayonnement ; ce rayonnement pourrait à son tour expliquer la mystérieuse matière noire de l’Univers. Grâce à la théorie de la relativité générale d’Einstein, qui décrit comment la matière déforme l’espace-temps, nous savons que certaines étoiles massives peuvent s’effondrer sur elles-mêmes à un point tel qu’elles finissent par former une singularité.

Une fois la singularité formée, elle s’entoure d’un horizon des événements. À l’horizon des événements, l’attraction gravitationnelle du trou noir est si forte que pour s’échapper, un corps devrait voyager plus vite que la lumière. Ces phénomènes ont été l’objet de décennies d’observation. Les astronomes ont vu l’atmosphère d’une étoile se faire aspirer dans un trou noir. Ils ont vu des étoiles en orbite autour de trous noirs. Les instruments sur Terre ont détecté les ondes gravitationnelles émises lors de la collision des trous noirs…

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Et la collaboration de l’Event Horizon Telescope (EHT) est même parvenue à produire une image de la structure ombrée d’un trou noir supermassif. Et pourtant, ces objets restent encore grandement mal compris. La structure centrale d’un trou noir — la supposée singularité — semble être physiquement irréaliste, et plutôt correspondre à un artefact mathématique, résidu de l’impuissance de la relativité générale à décrire l’environnement interne d’un trou noir.

Des noyaux de Planck pour remplacer les singularités

Cela signifie que la compréhension actuelle des trous noirs devra éventuellement être mise à jour ou remplacée par une théorie unifiant relativité générale et mécanique quantique. En attendant, les physiciens continuent d’avancer des hypothèses.

Une des hypothèses actuellement avancées remplace la singularité classique par un point de matière extrêmement dense. C’est ce qu’on appelle un noyau de Planck, car l’idée théorise que la matière à l’intérieur d’un trou noir est comprimée jusqu’à la plus petite échelle possible, la longueur de Planck, soit 1.6×10-35 m.

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Une étoile sombre abritant un noyau de Planck serait dépourvue d’horizon des événements, comme le montre cette illustration. © Aleksandr Morrisovich/Shutterstock

Avec un noyau de Planck, qui ne serait donc pas une singularité, un trou noir n’hébergerait plus d’horizon des événements — il n’y aurait aucun endroit où l’attraction gravitationnelle excéderait la vitesse de la lumière. Mais pour les observateurs extérieurs, l’attraction gravitationnelle serait si forte qu’elle ressemblerait et agirait comme un horizon des événements. Seules des observations extrêmement sensibles, pour lesquelles nous n’avons pas encore la technologie, pourraient faire la différence.

Les problèmes radicaux nécessitent des solutions radicales, et donc remplacer « singularité » par « noyau de Planck » reste une solution relativement plausible, même si la théorie est à peine plus qu’une faible esquisse de proposition, sans la physique ou les mathématiques pour décrire avec confiance ce genre d’environnement.

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La matière noire représente 85% de la masse de l’univers, et pourtant elle n’interagit pas avec la lumière. Nous ne pouvons déterminer son existence que par ses effets gravitationnels sur la matière normale. Par exemple, nous pouvons observer les étoiles en orbite autour des centres des galaxies et utiliser leurs vitesses orbitales pour calculer la quantité totale de masse dans ces galaxies.

Dans un article soumis le 15 février sur le serveur de préimpression arXiv, le physicien Igor Nikitin du Fraunhofer Institute for Scientific Algorithms and Computing en Allemagne reprend l’idée de la « singularité radicale » et la fait monter d’un cran. Selon l’article, les noyaux de Planck peuvent émettre des particules (car il n’y a pas d’horizon des événements).

Ces particules pouvant être connues ou nouvelles. Ce type de particule pourrait expliquer la nature de la matière noire. Si les trous noirs sont vraiment des étoiles de Planck, écrit Nikitin, et qu’ils émettent constamment un flux de matière noire, ils pourraient expliquer les mouvements des étoiles dans les galaxies.

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