Chaque fois que quelqu’un parle de trous noirs, il parle presque toujours de l’horizon des événements et de la singularité. Après tout, c’est ce qui définit un trou noir, n’est-ce pas ? Eh bien, cela dépend de ce que vous entendez par trou noir. Certains diraient qu’un trou noir n’a pas besoin de singularité, et cela pourrait signifier qu’ils n’ont même pas d’horizon des événements.
Avant de plonger dans les trous noirs, distinguons d’abord les deux types. D’une part, nous avons les trous noirs théoriques tels que décrits en relativité générale. Ce sont des solutions aux équations de champ GR d'Einstein connues sous le nom de métriques. La première métrique de trou noir a été découverte par Karl Schwarzschild et décrit un trou noir simple et non rotatif. D’autres métriques ont été découvertes au fil des années, comme la métrique de Kerr découverte en 1963 par Roy Kerr, qui décrit un trou noir en rotation non chargé. C'est la métrique utilisée pour visualiser toutes ces scènes sympas dans des films tels que « Interstellar ».
De l’autre, il y a les trous noirs que nous avons directement observés, comme M87* et le trou noir au centre de notre galaxie, SagA*. Le télescope Event Horizon a collecté de nombreuses données sur ces deux trous noirs, ce qui nous permet de savoir qu'ils tournent et ont une structure proche de l'horizon qui, dans les limites de notre observation, est parfaitement en accord avec le modèle Kerr.
Bien entendu, aucune de nos observations ne permet de voir l’intérieur d’un trou noir, nous ne savons donc pas avec certitude s’il possède une singularité. De même, nous ne pouvons pas voir l’horizon des événements lui-même, puisque toute lumière traversant l’horizon des événements est piégée pour toujours. Ainsi, même si nous n’avons aucune preuve suggérant que les trous noirs n’ont pas de singularités ni d’horizons d’événements, des modèles alternatifs qui concordent avec les observations actuelles sont également théoriquement possibles.
La raison pour laquelle cela est important est que si les singularités et les horizons des événements apparaissent naturellement dans les mesures des trous noirs, ils causent également toutes sortes de problèmes. Une simple singularité est un point mathématique de densité infinie et de volume nul où les lois de la physique s'effondrent. C'est tellement problématique que les physiciens ont invoqué l'hypothèse de la censure cosmique pour affirmer que les singularités sont toujours entourées d'un horizon d'événements et que nous n'avons donc pas à nous en préoccuper.
Mais les horizons des événements ont leurs propres problèmes. Étant donné que tout objet traversant un horizon d’événements ne peut jamais échapper au trou noir, les informations contenues dans l’objet sont perdues à jamais pour l’univers, créant un paradoxe informationnel. Nous tournons en rond.
Une façon de résoudre tout cela est de trouver un modèle de trou noir sans singularité ni horizon des événements. Après tout, la relativité générale est une théorie classique comme la dynamique newtonienne. L’univers réel est de nature quantique, nous devrions donc vraiment avoir une théorie quantique de la gravité.
Et il existe des preuves que la physique quantique pourrait résoudre ces problèmes. Le principe d'incertitude de Heisenberg stipule qu'il est impossible d'avoir une masse exacte à un point précis, donc la théorie quantique empêche probablement la formation de singularités, et le rayonnement de Hawking pourrait permettre à l'énergie et à l'information de s'échapper d'un trou noir dans le temps.
La plupart des explorations théoriques de ces idées se concentrent sur l’aspect quantique des choses. Par exemple, dans la gravité quantique en boucle, la mousse quantique de l'espace-temps pourrait signifier que les trous noirs forment une « étoile de Planck » dans l'horizon des événements plutôt qu'une singularité. Un modèle similaire connu sous le nom de fuzzball apparaît dans la théorie des cordes, où la singularité est remplacée par une boule de cordes dégénérées. Il existe également des théories classiques alternatives à la relativité générale qui peuvent éliminer les problèmes de la RG.
Mais étant donné qu’il n’existe aucune preuve observationnelle de la gravité quantique, de la relativité alternative ou de la théorie des cordes, pourquoi ne pas s’en tenir au bon vieux professeur Einstein ? Et si nous supposions que la relativité générale est vraie mais ajoutions la contrainte que les singularités sont interdites ? Une telle métrique de trou noir est-elle possible ? Oui, et c'est ce qu'on appelle la métrique Hayward.
La métrique de Hayward est la solution minimale aux équations de champ d'Einstein avec les contraintes suivantes : statique, asymptotiquement plate, à symétrie sphérique et non singulière. En revanche, le modèle de Schwarzschild pour un trou noir est la solution minimale qui satisfait aux trois premières contraintes. Ainsi, un trou noir de Hayward est fondamentalement un trou noir de Schwarzschild non rotatif et sans singularité. Mais cette simple différence entraîne plusieurs changements.
Le changement le plus évident est qu’un trou noir de Hayward n’a aucune singularité. Plutôt que de se déformer de plus en plus vers un point de fuite, le centre du trou noir est localement plat, comme n’importe quelle région de l’espace profond. Un changement plus subtil est que les trous noirs de Hayward n'ont pas d'horizon des événements. Au lieu de cela, le modèle présente un horizon apparent qui contient de la matière pendant une longue période. Au fil du temps, la matière et l’énergie peuvent progressivement s’échapper. C'est similaire à l'effet du rayonnement Hawking mais sans faire appel à la physique quantique.
Pour les trous noirs supermassifs, cet effet est si infime qu’un trou noir de Hayward serait presque impossible à distinguer d’un trou noir de Schwarzschild. Et c'est le point clé. Bien que toutes nos observations de trous noirs concordent avec les modèles standards, les trous noirs de Hayward concordent également avec les données.
Bien sûr, le gros problème est que nous ne connaissons aucun mécanisme physique qui empêcherait la formation de singularités. Le modèle Hayward les interdit simplement par décret. Mais si le modèle de Hayward est correct, alors tous ces problèmes capricieux avec les singularités et les horizons des événements pourraient être… inutiles.
