Les trous noirs n’existent peut-être pas, mais les fuzzballs pourraient exister, selon une théorie sauvage

Les trous noirs sont, de loin, les objets les plus mystérieux de l’univers. Ce sont des objets du cosmos où toutes nos connaissances de la physique s’effondrent complètement.

Et pourtant, malgré leur apparente impossibilité, ils existent. Mais que faire si ces monstres gravitationnels ne sont pas du tout des trous noirs, mais plutôt l’équivalent cosmique de boules de ficelle floues et vibrantes ?

De nouvelles recherches suggèrent que cela pourrait être le cas, et que grâce à de prochaines observations, nous pourrions effectivement les voir.

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Le problème des trous noirs

Les trous noirs apparaissent dans la théorie de la relativité générale d’Einstein, et selon tous les droits, ils ne devraient tout simplement pas exister. Dans cette théorie, si un amas de matière s’écrase dans un volume suffisamment petit, la gravité peut devenir extrêmement forte. Cette compression gravitationnelle insensée peut supplanter n’importe laquelle des quatre autres forces fondamentales de la nature, comme la force nucléaire forte qui maintient cet amas de matière ensemble. Une fois qu’un certain seuil critique est atteint, l’amas de matière se comprime et se comprime encore, se réduisant à un point infiniment petit.

Ce point infiniment petit est connu sous le nom de singularité, et il est entouré d’une surface appelée horizon des événements – l’endroit où l’attraction vers l’intérieur de la gravité dépasse la vitesse de la lumière.

Bien sûr, un point infiniment petit n’existe pas, donc cette image semble fausse. Mais au milieu du 20e siècle, les astronomes ont commencé à trouver des objets qui ressemblaient à des trous noirs, agissaient comme des trous noirs et sentaient probablement aussi comme des trous noirs. Malgré leur impossibilité, ils étaient là, flottant dans l’univers.

Et ce n’est pas le seul problème. En 1976, le physicien Stephen Hawking a réalisé que les trous noirs ne sont pas complètement noirs. En raison de la bizarrerie de la mécanique quantique, les trous noirs s’évaporent lentement. Cela a conduit à un paradoxe : toutes les informations qui tombent dans un trou noir y sont enfermées. Mais le rayonnement de Hawking n’emporte pas cette information (du moins, d’après ce que nous savons). Alors quand le trou noir finit par s’évaporer, qu’advient-il de toutes ces informations ?

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Une solution filandreuse

Au fil des décennies, les physiciens théoriciens ont travaillé dur pour trouver quelque chose – n’importe quoi – pour expliquer les trous noirs. Quelque chose qui explique le paradoxe de l’information et quelque chose pour remplacer la singularité par des mathématiques qui fonctionnent.

Parmi ces théoriciens, il y a ceux qui travaillent sur la théorie des cordes, qui est un modèle de l’univers qui remplace toutes les particules et les forces que vous aimez par des cordes subatomiques et vibrantes. Dans la théorie des cordes, ces cordes sont les constituants fondamentaux de la matière dans l’univers, mais nous ne pouvons pas les voir comme des cordes parce qu’elles sont si petites. Oh, et pour que les mathématiques de la théorie des cordes fonctionnent, il doit y avoir des dimensions supplémentaires – toutes minuscules n’importe lesquelles enroulées sur elles-mêmes à des échelles subatomiques de sorte que nous ne les voyons pas non plus.

La théorie des cordes prétend être une théorie de tout, capable d’expliquer chaque type de particule, chaque type de force, et fondamentalement tout dans l’univers (et, pour être complet, l’univers entier lui-même).

Alors, la théorie des cordes devrait être capable d’expliquer l’inexplicable : elle devrait être capable de remplacer les trous noirs par quelque chose de moins effrayant.

Et, en effet, les théoriciens des cordes ont proposé un remplacement moins effrayant pour les trous noirs. Ils sont appelés fuzzballs.

Unraveling the yarn

Dans la théorie des cordes, les trous noirs ne sont ni noirs ni des trous. Au lieu de cela, la meilleure métaphore pour expliquer ce qu’est une fuzzball est de regarder un autre objet compact et étrange dans l’univers : les étoiles à neutrons.

Les étoiles à neutrons sont ce qui se passe quand un objet n’a pas tout à fait assez de gravité pour se comprimer en ce que nous appelons un trou noir. À l’intérieur d’une étoile à neutrons, la matière est comprimée dans son état de densité le plus élevé possible. Les neutrons sont l’un des constituants fondamentaux des atomes, mais ils jouent habituellement avec d’autres particules comme les protons et les électrons. Mais dans une étoile à neutrons, ce genre de camaraderie atomique se brise et se dissout, ne laissant derrière elle que des neutrons entassés aussi étroitement que possible.

Avec les fuzzballs, les cordes fondamentales cessent de travailler ensemble et s’entassent simplement, devenant une grande, eh bien, boule de cordes. Une fuzzball.

Les fuzzballs ne sont pas complètement étoffées, même en théorie, car aussi cool que puisse paraître la théorie des cordes, personne n’a jamais été capable d’y apporter une solution mathématique complète – et donc les fuzzballs ne sont pas seulement floues dans la réalité physique, mais aussi dans la possibilité mathématique.

Pour autant, nous pourrions être en mesure de trouver des fuzzballs avec les prochaines enquêtes, comme décrit dans un article de synthèse publié le 27 octobre dans la revue arXiv. Nous commençons tout juste à dépasser le stade de la preuve de l’existence des trous noirs et à

sonder les détails de leur comportement, et notre meilleur moyen d’y parvenir, ce sont les ondes gravitationnelles.

Lorsque les trous noirs entrent en collision et fusionnent, ils libèrent un tsunami d’ondes gravitationnelles, qui se répandent dans le cosmos et finissent par atteindre nos détecteurs sur Terre. Pour toutes les douzaines de fusions de trous noirs dont nous avons été témoins jusqu’à présent, la signature des ondes gravitationnelles correspond exactement à ce que la relativité générale prévoit pour les trous noirs.

Mais les instruments futurs, comme l’observatoire avancé d’ondes gravitationnelles Laser Interféromètre (LIGO) et l’antenne spatiale Laser Interféromètre (un détecteur d’ondes gravitationnelles proposé dans l’espace), pourraient avoir la sensibilité nécessaire pour faire la différence entre les trous noirs normaux et les boules de duvet filandreux. Je dis « pourrait » parce que différents modèles de boules duveteuses prédisent différentes variations par rapport au comportement standard des trous noirs.

Si nous sommes capables de trouver des preuves de l’existence de boules duveteuses, cela ne répondrait pas seulement à la question de savoir ce que sont réellement les trous noirs ; cela révélerait certains des fondements les plus profonds de la nature.

Originally published on Live Science.

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