Le trou noir

Le trou noir

La croissance des trous noirs serait couplée à l'expansion de l'Univers (X)

Pour la première fois, en 2015 l'observatoire LIGO détecta la fusion ou merge de deux trous noirs, c'est l'évènement GW150914, validant ainsi après 100 ans une prédiction majeure de la théorie de la relativité générale d'Einstein (cf. U.Sperhake, 2015; B.P. Abbott et al., 2016).

La masse du trou noir résultant est de 62 M. Les physiciens s'attendaient à ce que les trous noirs progéniteurs aient des masses inférieures à environ 40 M car ils sont le résultat de l'effondrement d'étoiles massives.

Mais depuis cet évènement historique, les observatoires LIGO et Virgo ont détecté la fusion de nombreux trous noirs dont la masse totale est comprise entre 50 et plus de 100 M. Le record est actuellement détenu par l'évènement GW190521 dont le trou noir résultant présente une masse de 142 M.

De nombreuses théories ont été proposées pour expliquer la formation de tels trous noirs, mais aucun scénario n'a jusqu'ici été en mesure d'expliquer la diversité des fusions observées. De plus, il n'y a toujours pas de consensus autour d'un scénario de formation physiquement viable.

Comparaison des observations de fusion (merge) de trous noirs avec les prédictions du nouveau modèle. L'axe horizontal indique la masse totale du trou noir résulant du merge. Document K.S. Croker et al. (2021).

Pour expliquer la masse importante des trous noirs stellaires ayant fusionné, dans une étude publiée dans "The Astrophysical Journal Letters" en 2021 , Kevin S. Croker de l'Université d'Hawaï et ses collègues ont proposé une nouvelle théorie. La masse des trous noirs, petits et grands, peut résulter d'un seul mécanisme : ils gagnent de la masse en raison de l'expansion de l'Univers.

Jusqu'à présent, par facilité, les astronomes modélisent les trous noirs dans un modèle d'univers statique. Selon Croker, "C'est une hypothèse qui simplifie les équations d'Einstein, car dans un univers qui ne grandit pas il y a beaucoup moins de paramètres à suivre. Il y a cependant un compromis : les prédictions ne sont valables que pendant un laps de temps limité."

Étant donné que les évènements individuels détectables par les installations LIGO-Virgo ne durent que quelques secondes, lors de l'analyse d'un évènement unique, cette simplification est judicieuse. Mais ces mêmes fusions de trous noirs sont potentiellement en gestation depuis des milliards d'années. Dans l'intervalle entre la formation d'une paire de trous noirs et leur fusion éventuelle, l'univers grandit énormément. Si les aspects les plus subtils de la théorie d'Einstein sont soigneusement examinés, une possibilité surprenante émerge : la masse des trous noirs pourrait croître au même rythme que le taux d'expansion de l'Univers, un phénomène que Croker et son équipe appellent le couplage cosmologique.

L'exemple le plus connu de phénomène cosmologique couplé est la lumière elle-même : si l'Univers est en expansion, la longueur d'onde de la lumière augmente.

Selon Duncan Farrah, professeur de physique et d'astronomie de l'Université d'Hawaï et coauteur de cette étude, "Nous avons envisagé l'effet inverse. Qu'est-ce que LIGO-Virgo observerait si les trous noirs étaient couplés cosmologiquement et gagnaient de l'énergie sans avoir besoin d'absorber d'autres étoiles ou du gaz ?"

Pour étudier cette hypothèse, les chercheurs ont simulé l'évolution de millions d'étoiles massives binaires. Tous les couples où les deux étoiles se sont transformées en trous noirs ont ensuite été couplées à la taille de l'Univers dès l'instant de leur effondrement. Au fur et à mesure que l'Univers s'étendait, la masses de ces trous noirs augmentait à mesure qu'ils se rapprochaient les uns des autres. Le résultat fut non seulement d'avoir un plus grand nombre de trous noirs massifs lors des fusions, mais aussi beaucoup plus de fusions de trous noirs. Lorsque les chercheurs ont comparé les données de LIGO-Virgo à leurs prédictions, cela correspondait plutôt bien.

Selon les chercheurs, "ce nouveau modèle est important car il ne nécessite aucun changement dans notre compréhension actuelle de la formation, de l'évolution ou de la mort des étoiles. L'accord entre le nouveau modèle et les données actuelles vient simplement de la prise de conscience que des trous noirs réalistes n'existent pas dans un univers statique." Les chercheurs soulignent toutefois que le mystère des trous noirs massifs détectés par LIGO-Virgo est loin d'être résolu.

Selon Michael Zevin, postdoctorant Fellow NASA Hubble et coauteur de cette étude, "De nombreux aspects de la fusion des trous noirs ne sont pas connus en détail, tels que les environnements préférés de formation et les processus physiques complexes qui persistent tout au long de leur vie. Bien que nous ayons utilisé une population stellaire simulée qui reflète les données dont nous disposons actuellement, il y a beaucoup de marge de manœuvre. Nous constatons que le couplage cosmologique est une idée utile, mais nous ne pouvons pas encore mesurer la force de ce couplage."

Espérons que l'avenir permette d'améliorer ce modèle.

Les trous noirs et le principe holographique

La théorie de la relativité décrit les trous noirs comme étant sphériques, lisses et simples alors que la théorie quantique les décrit comme étant extrêmement complexes et riches en informations. Depuis quelques décennies, les physiciens tentent d'appliquer le principe holographique aux trous noirs dans l'espoir de résoudre cette dualité.

Ces recherches sont assez audacieuses mais méritent qu'on s'y intéresse. Certes, il s'agit vraisemblablement d'images simplifiées de la réalité, mais elles conviennent dans la plupart des cas pour établir des prédictions, comme la notion de sphère céleste permet d’expliquer les lois de la mécanique céleste.

Les paramètres surfaciques

En 1967, Werner Israel décrivit la métrique de Schwarzschild d'un trou noir, c'est-à-dire les équations d'Einstein appliquées à un corps isolé à symétrie sphérique, statique, non chargé et dans le vide, et montra qu'elle était très simple.

Illustration d'un trou noir stellaire transitant devant la Voie Lactée. Document OSU.

Suite à cet article, en 1971 Brandon Carter publia dans les "Physical Review Letters" une étude sur les degrés de liberté d'un trou noir axisymétrique et conclut qu'un trou noir de Kerr, en rotation et sans charge électrique, n'avait que deux degrés de liberté, confirmant les travaux d'Israel.

Ces travaux porteront progressivement au jour l'idée du théorème "pas de cheveux" (cf. page 7).

Vu de l'extérieur le trou noir se résumant à son horizon, à sa surface de contact, les physiciens théoriciens rassemblés autour de Kip Thorne, aujourd'hui professeur émérite de Caltech et lauréat Nobel en 2017, ont tenté d'expliquer les particularités des trous noirs, non plus globalement à partir de leur masse, leur charge électrique ou de leur moment angulaire, mais localement en étudiant les propriétés de cette surface.

Leurs études ont permis d'introduire de nouveaux paramètres dits "surfaciques" : la densité de charge, la résistivité électrique et la viscosité. Ces paramètres se rapprochent des modèles de fluides visqueux et conducteurs, tels que les bulles ou les membranes fluides. Ces objets présentent aussi certaines propriétés mécaniques.

Ce rapprochement a permis aux chercheurs de plancher depuis le début des années 1970 sur un modèle de trou noir semblable à une membrane fluide.

Notons que suite aux travaux du physicien canadien William Unruh publiés en 1981, on a également étudié des trous noirs acoustiques (ou sonique), c'est-à-dire un analogue de trou noir formé dans un fluide soumis à un mouvement circulaire.

Le principe holographique : simuler les trous noirs avec des hologrammes

En 1994, Gerard 't Hooft et Leonard Susskind proposèrent le principe holographique précité (que Susskind tenta sans succès d'appliquer au monde) par analogie à la surface d'un hologramme qui contient toute l'information d'un objet tridimensionnel; l'objet holographique "apparait" en trois dimensions.

Plus important encore, dans cette description holographique, la gravité n'apparaît pas explicitement. En d'autres termes, le principe holographique permet de décrire la gravité en utilisant un langage excluant la gravité, évitant ainsi une confrontation avec la mécanique quantique.

Selon cette approche, la surface de l'hologramme représente l'horizon des évènements du trou noir et fluctue, résolvant le paradoxe de l'information.

Parmi les prédictions du principe holographique ou correspondance AdS/CFT, si on accepte l'idée de Chandrasekhar décrite dans son livre "The Mathematical Theory of Black Holes" (1983) selon laquelle un trou noir peut également subir l'influence d'une perturbation extérieure, le mouvement de sa membrane pourrait générer des ondes de gravité amorties (variables), appelées dans ce cas des ondes gravitationnelles. Comme les ondes sonores se propagent dans la matière, une onde gravitationnelle se propage en modifiant l'espace-temps. Quasi immatérielle, cette onde peut induire des effets d’oscillations dans les corps massifs. Nous y reviendrons en Relativité avec la découverte des ondes gravitationnelles en 2015.

Dans une étude publiée dans les "Physical Review Letters" en 2019, le physicien Koji Hashimoto de l'Université d'Osaka et ses collègues, ont tenté de clarifier les conditions d'existence de l'image des trous noirs dans la théorie quantique des champs (QFT) qui est l'un des problèmes fondamentaux du principe holographique.

Les chercheurs proposent une manière directe de démontrer l'existence des trous noirs à travers l'imagerie d'un anneau d'Einstein, c'est-à-dire une lentille gravitationnelle. Pour y parvenir, ils ont développé une formule dérivée de la théorie des cordes équivalente à la théorie super Yang-Mills sur sa frontière à quatre dimensions qui permet d'obtenir un anneau d'Einstein holographique. En effet, une version de la théorie des cordes appelée le Type IIB sur l'espace Schwarschild-AdS4 connu sous le nom de dualité holographique suggère que tout ce qui se passe à l'intérieur de l'espace de la théorie des cordes peut également être traduit dans un espace plus simple présentant moins de dimensions, comme la limite de l'horizon des évènements.


A gauche, la configuration pour l'imagerie d'un trou noir dual dans l'espace-temps Schwarzschild-AdS4. Une source gaussienne oscillante Jo est appliquée à un point sur la limite AdS. Sa réponse〈O(x)〉est observée en un autre point de la limite AdS. A droite, la construction de l'image du trou noir Sch-AdS. Documents K.Hashimoto et al. (2019) adaptés par l'auteur.

Selon les chercheurs, on peut observer un trou noir "à partir d'une fonction de réponse QFT thermique projetée sur une sphère bidimensionnelle à partir d'une source localisée temporellement." Concrètement, comme illustré ci-dessus, la lumière émanant d'une source ponctuelle située sur la limite AdS, sur la surface de la sphère, est mesurée à un autre endroit de la sphère, ce qui devrait révéler le trou noir si la surface matérielle sphérique permet l'holographie. En supposant que les bons matériaux et les bonnes conditions de laboratoire sont réunies, on observerait un anneau d'Einstein. Comme illustré ci-dessous, les chercheurs ont également calculé le rayon de l'anneau d'Einstein qui serait observé si cette théorie était correcte.

Il va sans dire qu'il s'agit de recherches purement théoriques car en pratique aucun laboratoire ne peut réunir ces conditions et fabriquer un trou noir de toute pièce et le projeter sur une table de travail. Les chercheurs peuvent juste simuler les propriétés d'un trou noir grâce à un hologramme virtuel. Mais ils espèrent trouver dans le monde quantique la matière qui leur permettrait de tester leur théorie dans l'espoir d'enfin comprendre comment fonctionne l'Univers à grande et à petite échelle.

Selon Hashimoto, "L'image holographique d'un trou noir simulé peut servir d'entrée au monde de la gravité quantique." Pour son collègue Keiju Murata, "Notre espoir est que ce projet montre la voie à suivre vers une meilleure compréhension de la façon dont notre Univers fonctionne vraiment à un niveau fondamental."

Simulations de l'image de l'anneau d'Einstein d'un trou noir dans la métrique Schwarzschild-AdS4 (en appliquant la théorie des cordes de Type IIB au principe holographique). Le rayon de l'anneau d'Eintein dépend de la température. Au centre, une image appliquée au trou noir surpermassif de M87 imagé par l'EHT (l'image de gauche). A droite, simulation de l'image d'un trou noir se déformant selon différents rayons de l'horizon rh = 0.6, 0.3, 0.1 et différents points d'observation θobs = 0°, 30°, 60° et 90°. Documents K.Hashimoto et al. (2019).

Dans une étude publiée dans la "Physical Review X" en 2020, Francesco Benini et Paolo Milan, deux chercheurs italiens membres du SISSA et de l'INFN proposent également de simuler des trous noirs avec des hologrammes.

Selon les auteurs, "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 en termes d'un système différent, qui ne vit que le long du bord de cette région et donc dans une dimension de moins."

En appliquant le principe holographique aux trous noirs, Benini et Milan rendent leurs mystérieuses propriétés thermodynamiques plus compréhensibles : en se concentrant sur la prédiction selon laquelle ces objets présentent une grande entropie (cf. l'entropie de l'univers) et en les observant en termes de mécanique quantique, ils peuvent les décrire comme un hologramme : ils ont deux dimensions, la gravité est absente, mais ils reproduisent un objet en trois dimensions.

Benini et Milan ont étudié cette question dans le contexte de la gravité avec une constante cosmologique négative. Ils ont exploré l'exemple le plus simple de la description holographique de la gravité (AdS/CFT), la théorie des cordes de Type IIB sur AdS₅ x S⁵, équivalent à la théorie de super Yang-Mills qui incorpore la supersymétrie, maximalisée à quatre dimensions.

Selon les auteurs, "Nous résolvons ainsi une question de longue date : est-ce que les quatre dimensions N = 4 SU(N) de la théorie de super Yang-Mills sur S³³ dans N contient suffisamment d'états pour expliquer l'entropie des trous noirs supersymétriques en rotation chargés électriquement dans l'espace anti–de Sitter 5D ? Notre réponse est positive."

Les auteurs considèrent que "Cette étude n'est que le premier pas vers une compréhension plus approfondie de ces objets cosmiques et des propriétés qui les caractérisent lorsque la mécanique quantique croise la relativité générale."

Le secret d'Uranie

Les astrophysiciens et les physiciens ont fait du chemin depuis les premiers travaux de Laplace, Einstein, Schwarzschild et Chandrasekhar parmi d'autres sur les trous noirs. Aujourd'hui, le modèle unifié des AGN s'accorde parfaitement avec l'hypothèse que ces objets abritent un trou noir supermassif. Mais caché derrière les nuages de poussières et son disque d'accrétion, certaines de ses propriétés sont encore des paramètres cachés sinon inconnus dans les équations qui nous empêchent de lever le voile sur sa réalité entière.

Grâce aux progrès réalisés dans l'instrumentation astronomique, les outils théoriques et les découvertes observationnelles, nous en savons tous les jours un peu plus sur la nature et les propriétés de ces objets très singuliers.

Mais malgré des résultats probants et les prédictions de la théorie des supercordes notamment, la détection d'une nouvelle particule inattendue ou la découverte d'un phénomène contredisant les lois de la physique pourrait faire s'écrouler en larmes Uranie, la Muse de l'astronomie et toute la physique sur laquelle elle repose.

Si la chance n'est pas au rendez-vous du chercheur, théoriciens, astrophysiciens et cosmologistes éprouveront de grandes difficultés pour trouver d’autres théorie pouvant expliquer le comportement très capricieux des galaxies à noyau actif, la fin ultime de l'évolution stellaire ou celle de l'Univers. Gageons que l'avenir leur donnera raison. La nature est un livre ouvert que nous devons apprendre à lire.

Pour terminer et en guise de récréation, voici le récit de voyage d'un aventurier hypothétique qui vous permettra de mieux saisir tous les aspects paradoxaux des trous noirs.

Fiction éducative

L'aventurier du trou noir

"En surfant sur le web j'avais déjà eu l'occasion de voir quelques parties de votre site sur les trous noirs, les supercordes, etc., que j'avais trouvées quasiment sans failles.", Jean-Pierre Luminet, CNRS, 3 août 2006.

Pour plus d'informations

Sur ce site

Les trous noirs supermassifs

Le trou noir supermassif de la Voie Lactée (Sgr A*)

Les trous noirs supermassifs et la vie

Les trous noirs primordiaux

Les ondes gravitationnelles

Le trou noir et le principe holographique

La théorie des cordes au secours des trous noirs

Voyage à travers un trou de ver

La théorie des supercordes

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