Depuis que la relativité générale a souligné l'existence de trous noirs, la communauté scientifique se méfie d'une caractéristique particulière: la singularité au centre – un moment, caché derrière l'horizon de l'événement, où les lois de la physique qui régissent le reste de l'univers semblent complètement décomposer. Depuis un certain temps maintenant, les chercheurs travaillent sur des modèles alternatifs sans singularités.
Un nouvel article publié dans le Journal of Cosmology and Astroparticle Physicsl'issue des travaux effectués à l'Institut de physique fondamentale de l'univers (IFPU) à Trieste, passe en revue l'état de l'art dans ce domaine. Il décrit deux modèles alternatifs, propose des tests d'observation et explore comment cette ligne de recherche pourrait également contribuer au développement d'une théorie de la gravité quantique.
«Hic Sunt Leones», remarque Stefano Liberati, l'un des auteurs de l'article et directeur de l'IFPU. L'expression se réfère à la singularité hypothétique prédite au centre des trous noirs standard – ceux décrits par des solutions aux équations de champ d'Einstein. Pour comprendre ce que cela signifie, un bref récapitulatif historique est utile.
En 1915, Einstein a publié ses travaux fondateurs sur la relativité générale. Un an plus tard, le physicien allemand Karl Schwarzschild a trouvé une solution exacte à ces équations, ce qui impliquait l'existence d'objets extrêmes maintenant appelés trous noirs. Ce sont des objets avec une masse si concentrée que rien – pas même la lumière – peut échapper à leur traction gravitationnelle, d'où le terme «noir».
Dès le début, cependant, les aspects problématiques ont émergé et ont déclenché un débat de plusieurs décennies. Dans les années 1960, il est devenu clair que la courbure de l'espace-temps devient vraiment infinie au centre d'un trou noir: une singularité où les lois de la physique – ou du tel semble-t-elle – surtout de s'appliquer.
Si cette singularité était réelle, plutôt qu'un simple artefact mathématique, cela impliquerait que la relativité générale se décompose dans des conditions extrêmes. Pour une grande partie de la communauté scientifique, invoquer le terme « singularité » est devenu une sorte de drapeau blanc: il signale que nous ne savons tout simplement pas ce qui se passe dans cette région.
Malgré le débat en cours sur les singularités, les preuves scientifiques de l'existence de trous noirs ont continué de croître depuis les années 1970, aboutissant à des jalons majeurs tels que les prix Nobel 2017 et 2020 en physique.
Les moments clés comprennent la première détection des ondes gravitationnelles en 2015 – révolutionnant la fusion de deux trous noirs – et les images extraordinaires capturées par le télescope Horizon Event (EHT) en 2019 et 2022. Pourtant, aucune de ces observations n'a jusqu'à présent fourni des réponses définitives sur la nature des singularités.
Territoire inconnu
Et cela nous ramène aux « Leones » Liberati fait référence: nous ne pouvons décrire la physique des trou noirs que jusqu'à une certaine distance du centre. Au-delà de cela se trouve le mystère – une situation inacceptable pour la science.
C'est pourquoi les chercheurs recherchent depuis longtemps un nouveau paradigme, dans lequel la singularité est « guéris » par des effets quantiques que la gravité doit présenter dans des conditions aussi extrêmes. Cela conduit naturellement à des modèles de trous noirs sans singularités, comme ceux explorés dans le travail de Liberati et de ses collaborateurs.
L'un des aspects intéressants du nouvel article est son origine collaborative. Ce n'est ni le travail d'un seul groupe de recherche ni un article de revue traditionnel. « C'est quelque chose de plus », explique Liberati.
« Il est sorti d'un ensemble de discussions parmi les principaux experts dans le domaine – théoriciens et phénoménologues, chercheurs juniors et seniors – tous réunis lors d'un atelier IFPU dédié. L'article est une synthèse des idées présentées et débattues dans les séances, qui correspondent grossièrement à la structure de l'article lui-même. »
Selon Liberati, la valeur ajoutée réside dans la conversation elle-même: « Sur plusieurs sujets, les participants avaient initialement des opinions divergentes – et certains ont mis fin aux séances avec au moins partiellement des opinions. »
Deux alternatives non singulaires
Au cours de cette réunion, trois modèles de trous noirs principaux ont été décrits: le trou noir standard prédit par la relativité générale classique, avec une singularité et un horizon d'événements; Le trou noir ordinaire, qui élimine la singularité mais conserve l'horizon; et le trou noir imicker, qui reproduit les caractéristiques externes d'un trou noir mais n'a ni une singularité ni un horizon d'événement.
L'article décrit également comment les trous noirs et les imitations réguliers pourraient se former, comment ils pourraient éventuellement se transformer les uns envers les autres et, surtout, quel type de tests d'observation pourrait un jour les distinguer des trous noirs standard.
Bien que les observations collectées jusqu'à présent aient été révolutionnaires, elles ne nous disent pas tout. Depuis 2015, nous avons détecté des ondes gravitationnelles des fusions de trou noir et obtenu des images des ombres de deux trous noirs: M87 * et Sagittaire A *. Mais ces observations se concentrent uniquement sur l'extérieur – elles ne donnent aucun aperçu pour savoir si une singularité se trouve au centre.
« Mais tout n'est pas perdu », explique Liberati. « Les trous noirs réguliers, et surtout les imitations, ne sont jamais exactement identiques aux trous noirs standard – pas même en dehors de l'horizon. Ainsi, les observations qui ont sondé ces régions pourraient, indirectement, nous dire quelque chose sur leur structure interne. »
Pour ce faire, nous devrons mesurer les écarts subtils par rapport aux prédictions de la théorie d'Einstein, en utilisant des instruments de plus en plus sophistiqués et différents canaux d'observation. Par exemple, dans le cas des imitations, l'imagerie haute résolution par le télescope Horizon d'événement pourrait révéler des détails inattendus dans la lumière pliée autour de ces objets, comme des anneaux de photons plus complexes.
Les ondes gravitationnelles peuvent montrer des anomalies subtiles compatibles avec les géométries d'espace-temps non classiques. Et le rayonnement thermique de la surface d'un objet sans horizon – comme un Mimicker – pourrait offrir un autre indice prometteur.
Un avenir prometteur
Les connaissances actuelles ne sont pas encore suffisantes pour déterminer exactement quel type de perturbations nous devrions rechercher, ni leur force. Cependant, des progrès importants de la compréhension théorique et des simulations numériques sont attendus dans les années à venir. Ceux-ci jetteront les bases de nouveaux outils d'observation, conçus spécifiquement avec des modèles alternatifs à l'esprit.
Tout comme s'est produit avec les ondes gravitationnelles, la théorie guidera l'observation – puis l'observation affinera la théorie, peut-être même exclue certaines hypothèses.
Cette ligne de recherche tient une énorme promesse: elle pourrait aider à conduire au développement d'une théorie quantique de la gravité, un pont entre la relativité générale – qui décrit l'univers à grande échelle – et la mécanique quantique, qui régit le monde subatomique.
« Ce qui nous attend pour la recherche sur la gravité », conclut Liberati, « est une période vraiment excitante. Nous entrons dans une époque où un paysage vaste et inexploré s'ouvre devant nous. »
