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18 décembre 2018 2 18 /12 /décembre /2018 04:54

Ne pas tomber dans la facilité ni dans le trou noir

            J’aurais pu intituler cet article : ‘Troublant’ mais cela aurait été trop facile, bien que cela le soit néanmoins car il s’agit de cerner ce que serait un trou noir, ce qu’il advient au sein d’un trou noir et quel est le futur d’un tel objet. Peut-être faut-il utiliser le pluriel car il se pourrait que suivant leurs masses et leurs dynamiques propres (en rotation ou non, actif ou passif) les paramètres qui les caractériseraient seraient notablement différents.

            Toutes ces questions se posent maintenant que nous disposons de quelques informations depuis que nous avons détecté les ondes gravitationnelles correspondant à dix collisions-fusions de vingt trous noirs. Ces informations sont pauvres car ce que les interféromètres ont enregistré ne sont que des tremblements de l’espace-temps très atténués arrivés sur la planète Terre après avoir parcouru des milliards d’année-lumière.

            Heureusement, il y eut entre-temps un enregistrement d’ondes gravitationnelles provoqué par la fusion de deux étoiles à neutrons. Or, il fut accompagné d’autres informations car ces objets célestes appelés aussi ‘Pulsars’ lorsqu’ils émettent du rayonnement de façon très cadencée, ont à l’occasion de leur fusion émis des rayons gammas, et d’autres rayonnements électromagnétiques sur des longueurs d’ondes différentes. De plus cette fusion a provoqué des réactions nucléaires observables (avec production d’éléments lourds comme de l’or, du platine, du césium). C’est exactement ce que l’on appelle un événement multimessages. Donc la fusion de pulsars semble se produire avec la mise en évidence de propriétés de la matière en collision que nous décryptons assez aisément.

            Une étoile à neutrons correspond à un état d’équilibre de la matière subissant une très, très, forte interaction gravitationnelle depuis son centre, avant qu’éventuellement elle ne devienne un trou noir. Sa densité de matière est de l’ordre de 107 T/litre. Lorsqu’intervient une raison qui annule cet état d’équilibre (par ex. : captation de matière dans l’environnement), elle devient trou noir qui nous apparait comme un état d’équilibre final. Dans ce cas on ne plus parler de densité de matière puisqu’elle tend vers l’infini et on ne sait rien de ce qu’il advient de la matière. On pourrait penser que dans ce cas la matière est de plus en plus compressée, mais cette hypothèse est difficilement soutenable puisqu’impossible à constater.

L’hypothèse de l’existence de trous noirs est justifiée par la loi de la Relativité Générale et plus particulièrement avec la singularité mathématique (terme devenant infini dans une certaine condition numérique par ex : l’inverse de zéro) que l’on rencontre en utilisant la métrique de Schwarzschild. Quand de la matière ou d’autres aspects de l’énergie se trouve capturée par un trou noir au niveau de ce que l’on appelle l’horizon du trou noir dont son rayon est justement le rayon de Schwarzschild qui provoque la singularité, proportionnelle à sa masse, et bien celle-ci ne peut tendre que vers le centre de ce trou noir à cause d’une interaction gravitationnelle de plus en plus élevée et puis… qu’en est-il de la matière ou de l’énergie originelle.

Stricto-sensu, la relativité générale nous dit qu’un trou noir formé est éternel, et donc les physiciens théoriciens très croyants en leurs équations mathématiques affirment qu’au centre de cet objet il y a rupture temporelle et spatiale et c’est vide. Même si mathématiquement on est obligé de l’admettre, c’est physiquement difficile de comprendre comment la matière ou l’énergie constitutive a pu disparaître. Globalement on peut considérer que l’hypothèse du trou noir est une hypothèse de la physique classique car on doit considérer que la loi de la relativité générale est fondée sur des hypothèses classiques dans le sens où elles ne comprennent aucune de celles relatives à la mécanique quantique. Ce n’est qu’après coup, comme l’a fait, par exemple, S Hawking, que l’on ajoute des hypothèses quantiques pour enrichir quelques aspects phénoménologiques possibles sur ces objets. C’est ce que nous propose Carlo Rovelli pour mettre en avant son hypothèse que les trous noirs ont un avenir en devenant des trous blancs.

Je développe ci-après cet aspect des choses mais avant tout il faut rappeler que la loi de la relativité générale contient cette solution mathématique pour cause de symétrie de renversement du temps classique ce qui fut constaté très rapidement dans les années 1920 mais solution qui n’a jamais été prise au sérieux d’un point de vue de la physique. N’oublions pas que ce fut identique pour la solution trou noir pour cause de singularité. Einstein lui-même n’accordait aucun crédit à cette chose qui lui apparaissait comme une impureté des équations mathématiques. 

Carlo Rovelli, directeur de recherche à l’université d’Aix-Marseille a publié un premier article le 10/12 sur le site Physics.aps.com : ‘Black Hole Evolution Traced Out with Loop Quantum Gravity.’ ; ‘l’évolution du trou noir suivie avec la gravité quantique à boucle’.

« La gravité quantique à boucle – une théorie qui étend la relativité générale en quantifiant l’espace-temps – prédit que les trous noirs évoluent en trous blancs. »

« Les trous noirs sont de remarquables entités. D’un certain point de vue, ils sont devenus maintenant des objets astrophysiques familiers qui ont été observés en grands nombres et de façons multiples ; nous avons l’évidence de trous de masse stellaire dansant autour d’une étoile compagnon, de gigantesques trous au centre des galaxies attirant de la matière au sein de disques en spirales, et des paires de trous noirs fusionnant dans un jet d’ondes gravitationnelles. Tout ceci est remarquablement rendu compte par l’ancienne théorie d’Einstein centenaire de la relativité générale. Mais d’un autre point de vue, les trous noirs restent hautement mystérieux. Nous observons la matière tomber dans son intérieur, mais nous sommes dans l’obscurité à propos de ce qu’il advient de cette matière quand elle atteint le centre de ce trou.

« … Abhay Ashtekar, Javier Olmedo et Parampreet Singh viennent de franchir une étape qui répond à cette question. Ils ont montré que la gravité quantique à boucle — une théorie candidate pour fournir une description quantique de la gravité — prédit que l'espace-temps continue à travers le centre du trou dans une nouvelle région qui existe dans le futur et qui a la géométrie de l'intérieur d’un trou blanc. Un trou blanc est l'image par le temps inversé d'un trou noir : en elle, la matière ne peut que se déplacer vers l'extérieur. Le passage "à travers le centre" dans une région future est contre-intuitif ; Il est possible grâce à la forte distorsion de la géométrie spatio-temporelle à l'intérieur du trou qui est permise par la relativité générale. Ce résultat repose sur une hypothèse en cours d'investigation par de nombreux groupes de recherche : l'avenir de tous les trous noirs pourrait être de se convertir en vrais trous blancs, d'où la matière qui est tombée à l'intérieur peut rebondir. Cependant, les théories existantes n'ont pas été en mesure de montrer pleinement un moyen pour que ce rebond se produise. Puisque la gravité quantique à boucles parvient à le faire, cela indique que cette théorie a suffisamment mûri pour s’attaquer aux situations du monde réel (sic).

La raison pour laquelle nous sommes dans l'obscurité sur les aspects de la physique du trou noir est que les phénomènes quantiques dominent au centre et dans l'avenir de ces objets. La relativité générale classique prédit qu'un trou noir vit à jamais et que son centre est une « singularité » où l'espace et temps finissent. Ces prédictions ne sont pas réalistes car elles ne tiennent pas compte des effets quantiques. Pour lutter contre ces effets, nous avons besoin d'une théorie quantique de la gravité. Nous n'avons pas encore de consensus (sic) sur une telle théorie, mais nous avons des candidats, dont certains ont maintenant atteint le point de permettre des calculs réels sur le comportement quantique des trous noirs. La gravité quantique à boucles, qui a une structure conceptuelle propre et une formulation mathématique bien définie basée sur la représentation du tissu de l'espace comme un réseau de spin qui évolue dans le temps, constitue une telle théorie.

Approximativement parlant, le phénomène complet est analogue à celui du rebondissement d'une balle. Une balle tombe au sol, rebondit, puis se déplace vers le haut. Le mouvement ascendant après le rebond est la version inversée de la balle qui tombe. De même, un trou noir "rebondit" et il émerge lorsque le temps s’inverse : un trou blanc. L'effondrement de la matière ne disparaît pas au centre : elle rebondit à travers le trou blanc. L'énergie et l'information qui sont tombées dans le trou noir émergent du trou blanc. La configuration où la compression est maximale, qui sépare le trou noir du trou blanc, est appelée « étoile de Planck[1] ». En raison de la distorsion énorme du temps permise par la relativité, le temps de la production de ce processus peut être court (microsecondes) lorsqu'il est mesuré à l'intérieur du trou, mais long (milliards d'années) lorsqu'il est mesuré à l'extérieur[2]. Les trous noirs peuvent être des étoiles rebondissantes vues dans un ralenti extrême. »

Ensuite C. Rovelli tente de nous convaincre qu’il sera peut-être possible de vérifier par les voies de l’observation des ‘Fasts Radios Bursts’ (FRBs), ou de certains rayons cosmiques de très hautes énergies, que cette thèse des trous blancs est crédible. Ensuite il ajoute un zest de matière noire. On n’infère rien de probant à propos de ces sujets et de ces phénomènes, alors ajouter de l’inconnu à ce qui n’est que théorique depuis plus de vingt ans sans qu’il y ait le moindre indice d’une prédiction positive n’enrichit pas nos capacités de compréhension de ce qui se fabrique dans notre univers.

Ce qui est certain c’est que la détection des ondes gravitationnelles constitue un énorme progrès mais même avec l’augmentation prévisible à assez court terme de ces détections si on n’arrive pas à décrypter plus subtilement les ‘chirps’[3] obtenus, on va faire du surplace quant à la compréhension de la phénoménologie qui advient dans les trous noirs. On peut conjecturer, étant donné que l’état de trou noir est un état d’équilibre, en tous les cas pour ceux dont on a enregistré la fusion, que durant le processus de la fusion cet équilibre interne respectif, aujourd’hui insondable, n’est plus, et en conséquence la matière des deux trous noirs telle que nous la connaissons, à nouveau s’exprime furtivement d’une façon ou d’une autre. Par exemple par des fusions nucléaires inédites, par des rayonnements exceptionnels et cela pourrait peut-être se voir dans l’analyse poussée de la structure du ‘chirp’.

Les ondes gravitationnelles nous informent partiellement sur l’espace-temps dans lequel évolue les trous noirs, mais c’est une information sur leur environnement très proche. Il est souhaitable que nous ayons l’ambition de trouver le(s) biais par le(s)quel(s) on pourra progressivement, même si c’est pour la durée d’un éclair, obtenir des indices sur ce qui se joue à l’intérieur d’un trou noir en général. Ainsi n

 

[1] Lorsqu’une étoile cesse de s'effondrer, parce que la densité de matière a atteint la densité de Planck, la gravitation devient répulsive, de sorte que le trou noir stellaire explose en un trou blanc.

[2] Le tic-tac d’une horloge ralentit lorsque dans son voisinage le champ gravitationnel augmente, au cœur du trou noir ce ralentissement atteint son paroxysme au point qu’avec l’horloge en dehors du trou noir il y ait ce rapport de contraction de l’écoulement du temps comme évoqué par Rovelli. Ce résultat de la variation de l’écoulement du temps fonction de l’amplitude du champ gravitationnel est celui de la relativité générale et son essence se trouve explicitée par les tirets de : ‘Matière-Espace-Temps’ qui marquent cette interdépendance.

[3] On appelle ‘chirp’, ce signal, très éphémère, ondulant que l’on obtient sur les interféromètres qui pourrait simuler le son ‘chirp’.

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