Une nouvelle étude montre que les trous noirs formés à partir de la lumière, appelés kugelblitz, ne peuvent exister en raison d'effets quantiques qui interviennent à des intensités lumineuses élevées. Cela remet en question des décennies de spéculation en astrophysique. Crédit : NASA/JPL-Caltech
L'impossibilité du Kugelblitz : les effets quantiques interdisent la formation de trous noirs à partir de fortes concentrations de lumière intense.
Des chercheurs ont conclu que les trous noirs formés à partir de la lumière, appelés kugelblitze, sont théoriquement impossibles. Cette découverte est issue d'un modèle mathématique intégrant des effets quantiques, qui révèle que l'intensité lumineuse requise dépasse de loin celle que l'on trouve dans l'univers. Bien que décevante pour la physique théorique, cette découverte a de profondes implications pour la compréhension de la mécanique quantique et de la relativité générale.
Au cours des sept dernières décennies, les astrophysiciens ont théorisé l’existence de « kugelblitz », des trous noirs causés par des concentrations extrêmement élevées de lumière.
Ces trous noirs spéciaux, ont-ils spéculé, pourraient être liés à des phénomènes astronomiques tels que la matière noire, et ont même été suggérés comme la source d'énergie d'hypothétiques moteurs de vaisseaux spatiaux dans un futur lointain.
Démystifier le Kugelblitze : une nouvelle étude
Cependant, de nouvelles recherches en physique théorique menées par une équipe de chercheurs de l' Université de Waterloo et l'Université Complutense de Madrid démontre que les kugelblitz sont impossibles dans notre univers actuel.
« Les trous noirs les plus connus sont ceux causés par d’énormes concentrations de matière ordinaire qui s’effondrent sous l’effet de leur propre gravité », explique Eduardo Martín-Martínez, professeur de mathématiques appliquées et de physique mathématique et affilié à l’Institut Perimeter de physique théorique. « Étant donné que, dans la théorie de la relativité générale d’Einstein, toute forme d’énergie courbe l’espace-temps, on a longtemps spéculé qu’une énorme concentration d’énergie sous forme de lumière pourrait conduire à un effondrement similaire. Cependant, cette prédiction a été faite sans tenir compte des effets quantiques. »
Limitations quantiques des trous noirs induits par la lumière
L'équipe a construit un modèle mathématique, prenant en compte les effets quantiques, qui a démontré que la concentration de lumière requise pour créer des kugelblitz serait de plusieurs dizaines d'ordres de grandeur supérieure à celle observée dans les quasars, les objets les plus brillants de notre univers.
« Bien avant que l’on puisse atteindre une telle intensité lumineuse, certains effets quantiques se produiraient d’abord », explique José Polo-Gómez, doctorant en mathématiques appliquées et en information quantique. « Une concentration de lumière aussi forte conduirait à la création spontanée de particules telles que des paires électron-positron, qui s’éloigneraient très rapidement de la zone. »
Bien que les conditions nécessaires pour obtenir un tel effet soient impossibles à tester sur Terre avec la technologie actuelle, l'équipe peut être confiante dans la précision de leurs prédictions car elles s’appuient sur les mêmes principes mathématiques et scientifiques que ceux utilisés pour la tomographie par émission de positons (TEP).
« Pour comprendre ce phénomène, il faut penser à l’annihilation de la matière et de l’antimatière, comme ce qui se passe lors d’un PET scan. Les électrons et leurs antiparticules (positrons) peuvent s’annihiler et se désintégrer en paires de photons, ou « particules » de lumière », explique Martín-Martínez. « Nos résultats sont une conséquence du phénomène appelé « polarisation du vide » et de l’effet Schwinger. Bien qu’il puisse être difficile de les expliquer en quelques mots, une façon utile de les aborder est la suivante : le phénomène que nous avons prédit et qui empêcherait la création de trous noirs à partir de la lumière est à bien des égards l’opposé du phénomène de désintégration matière-antimatière qui se produit lors d’un PET scan : lorsqu’il y a une grande concentration de photons, ils peuvent se désintégrer en paires électron-positron, qui sont rapidement dispersées, emportant l’énergie avec elles et empêchant l’effondrement gravitationnel. »
Implications pour la physique et les technologies futures
Même si l’impossibilité du Kugelblitz peut être décevante pour les astrophysiciens, cette découverte constitue une avancée importante dans le domaine de la recherche en physique fondamentale rendue possible par le partenariat entre les mathématiques appliquées, l’Institut Périmètre et l’Institut d’informatique quantique de Waterloo.
« Même si ces découvertes n’ont pas encore d’applications connues, nous posons les bases des innovations technologiques de nos descendants », a déclaré Polo-Gómez. « La science derrière les appareils de tomographie par émission de positons était autrefois tout aussi théorique, et il y en a maintenant un dans chaque hôpital. »
La recherche, « Pas de trous noirs dus à la lumière », a été publiée dans Lettres d'examen physique.
