Nous ne savons toujours pas exactement ce qui se passe lorsque les trous noirs meurent.
Depuis Stephen Hawking découvert que les trous noirs évaporer, nous savons qu’ils peuvent potentiellement disparaître de notre univers. Mais notre compréhension de la gravité et de la mécanique quantique n’est pas assez puissante pour décrire les derniers moments de la vie d’un trou noir.
Maintenant, de nouvelles recherches motivées par la théorie des cordes suggèrent des destins possibles, et tout aussi étranges, pour les trous noirs en évaporation : une pépite résiduelle à laquelle nous pourrions, en principe, accéder, ou une singularité non enveloppée par un horizon des événements.
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L’importance du rayonnement de Hawking
Trous noirs ne sont pas, à proprement parler, entièrement noirs. En pure relativité générale, sans autres modifications ou considérations d’une autre physique, ils restent noirs pour l’éternité. Une fois que l’on se forme, il restera là, étant un trou noir, pour toujours. Mais dans les années 1970, Hawking a utilisé le langage de la mécanique quantique pour explorer ce qui se passe près de la limite d’un trou noir, connu sous le nom de horizon des événements.
Il a découvert que, de manière surprenante, une étrange interaction entre les champs quantiques de notre univers et la barrière à sens unique de l’horizon des événements permettait à l’énergie de s’échapper du trou noir. Cette énergie prend la forme d’un flux lent mais régulier de rayonnement et de particules connu sous le nom de rayonnement de Hawking. Avec chaque morceau d’énergie qui s’échappe, le trou noir perd de la masse et se rétrécit ainsi, finissant par disparaître complètement.
L’apparition du rayonnement de Hawking a créé ce qu’on appelle le Paradoxe de l’information sur le trou noir. Toutes les informations qui décrivent la matière qui tombe dans un trou noir traversent l’horizon des événements, pour ne plus jamais être revues. Mais le rayonnement de Hawking lui-même ne contient aucune information, et pourtant le trou noir finit par disparaître. Alors, où sont passées toutes les informations ?
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Au-delà d’Einstein
Le paradoxe de l’information sur le trou noir est une enseigne au néon géante et clignotante indiquant aux physiciens que nous ne comprenons pas quelque chose. Il se peut que nous ne comprenions pas la nature de l’information quantique, la nature de la gravité ou la nature des horizons des événements – ou les trois. L’approche “la plus simple” pour résoudre le paradoxe de l’information du trou noir est de développer une nouvelle théorie de la gravité, allant au-delà La théorie de la relativité générale d’Einstein.
Après tout, nous savons déjà que la relativité générale s’effondre au centre des trous noirs, qui sont de minuscules piqûres dans l’espace-temps appelées singularités où la densité tend vers l’infini. La seule façon de décrire correctement la singularité est d’utiliser une théorie quantique de la gravité qui prédit correctement le comportement de la forte gravité à des échelles extrêmement petites.
Malheureusement, nous manquons actuellement d’une théorie de gravité quantique. Ce serait bien de regarder directement les singularités, mais pour autant que nous comprenions à travers la relativité générale, toutes les singularités sont enfermées derrière des horizons d’événements, ce qui nous les rend inaccessibles.
Mais en étudiant le processus de rayonnement de Hawking, nous pourrons peut-être trouver un raccourci pour nous rapprocher d’une singularité et comprendre la physique folle qui s’y produit. Au fur et à mesure que les trous noirs s’évaporent, ils deviennent de plus en plus petits et leurs horizons d’événements se rapprochent inconfortablement 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 que nous puissions les décrire correctement avec nos connaissances actuelles. Donc, si nous pouvons développer une meilleure théorie de la gravité, nous pouvons utiliser les derniers instants du rayonnement de Hawking pour tester le comportement de la théorie.
Il existe de nombreux candidats pour une théorie quantique de la gravité, la théorie des cordes étant la plus développée. Même s’il n’y a pas de solutions connues à la théorie des cordes, il est possible de prendre ce que nous savons sur les caractéristiques générales de la théorie et de les utiliser pour créer des versions modifiées de la relativité générale.
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Singularités nues
Ces théories modifiées ne sont pas les remplacements “complets” corrects de la relativité générale, mais elles nous permettent d’examiner comment la gravité pourrait se comporter à mesure qu’elle se rapproche de plus en plus de la limite quantique. Récemment, une équipe de théoriciens a utilisé une de ces théories, connue sous le nom de gravité d’Einstein-dilaton-Gauss-Bonnet, pour étudier les états finaux finaux des trous noirs en évaporation. Ils ont détaillé leur travail dans un article publié dans la base de données de préimpression arXiv (s’ouvre dans un nouvel onglet) en mai.
Les détails des résultats de l’équipe sont un peu flous. En effet, la relativité générale modifiée n’est pas aussi bien comprise que la relativité générale régulière, et la résolution des mathématiques compliquées nécessite une foule d’approximations et beaucoup de conjectures. Pourtant, les chercheurs ont pu brosser un tableau général de ce qui se passe.
L’une des principales caractéristiques de la gravité Einstein-dilaton-Gauss-Bonnet est que les trous noirs ont une masse minimale, de sorte que les théoriciens ont pu étudier ce qui se passe lorsqu’un trou noir en évaporation commence à atteindre cette masse minimale.
Dans certains cas, selon la nature exacte de la théorie et l’évolution du trou noir, le processus d’évaporation laisse derrière lui une pépite microscopique. Cette pépite n’aurait pas d’horizon des événements, donc en principe, vous pourriez y faire voler votre vaisseau spatial et le récupérer. Alors que la pépite serait extrêmement exotique, elle conserverait au moins toutes les informations tombées dans le trou noir d’origine, résolvant ainsi le paradoxe.
Une autre possibilité est que le trou noir atteigne sa masse minimale et se débarrasse de son horizon des événements tout en conservant une singularité. Ces “singularités nues” semblent être interdites dans la relativité générale normale, mais si elles existent, elles seraient des fenêtres directes sur le domaine de la gravité quantique.
On ne sait toujours pas si la gravité Einstein-dilaton-Gauss-Bonnet représente une voie valide vers la gravité quantique. Mais des résultats comme celui-ci aident les physiciens à éclairer l’un des scénarios les plus complexes de l’univers et fournissent potentiellement des conseils sur la façon de les résoudre.
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