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Les trous noirs vont-ils exploser en "trous blancs" ?

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Selon une hyptohèse avancée par deux physiciens, la formation d'un trou noir suite à l'effondrement d'une étoile massive sur elle-même ne serait qu'une phase très temporaire menant à la formation d'un « trou blanc », soit une gigantesque explosion. Crédits : A. Corichi/J.P. Ruiz
Et si un trou noir n'était qu'une phase transitoire menant à une gigantesque explosion, au cours de laquelle le trou noir libèrerait dans le cosmos la matière qui était tombée en son sein ? C'est l'hypothèse audacieuse, mais aussi extrêmement séduisante, proposé par deux physiciens.

Imaginez. Quelque part dans le cosmos, une étoile massive s'effondre sous l'effet de sa propre gravité pour créer un trou noir, un objet incroyablement dense émettant un champ gravitationnel si puissant que rien ne peut s'en échapper, même pas la lumière. Jusqu'ici, rien de bien surprenant : c'est le scénario tout à fait classique de formation d'un trou noir.

Mais ce n'est pas tout. Car une fraction de seconde à peine après la création du trou noir, voilà qu'une colossale explosion survient. Cette explosion libère une faramineuse énergie, matérialisée par l'émission d'un gigantesque flash lumineux. Le trou noir a explosé, se transformant en quelque sorte en « trou blanc ». Un destin qui, loin d'être exceptionnel, serait en réalité celui de tous les trous noirs de l'Univers...

Pour troublant qu'il soit, ce scénario est bel et bien celui proposé par Carlo Rovelli et Hal Haggard, deux physiciens de l'Université de Aix-Marseille (France), dans le cadre d'un modèle publié en janvier et juillet 2014 sur le serveur de prépublication ArXiv (accéder aux articles "Planck stars" et "Black hole fireworks: quantum-gravity effects outside the horizon spark black to white hole tunneling").

Que dit ce modèle ? Que les trous noirs ne sont en réalité qu'une phase très courte et transitoire, s'intercalant entre l'effondrement d'une étoile massive sur elle-même et son explosion. La "phase de trou noir" ne durerait donc qu'une fraction de seconde pour l'étoile qui vient de s'effondrer (parce que sa gravité dilate le temps - en effet, rappelons qu'elle est à ce moment-là extrêmement dense), mais cet événement serait perçu comme quelque chose d'extrêmement long vu de l'extérieur (vu de la Terre par exemple), c'est-à-dire depuis un endroit situé suffisamment loin pour échapper à la gravité de l'étoile.

Comment ces deux physiciens sont-ils parvenus à forger un tel modèle ? Tout d'abord, ils se sont appuyés sur ce constat : la Relativité Générale ne sait pas décrire dans sa totalité le phénomène des trous noirs. En effet, si l'on s'appuie sur la Relativité Générale, l'étoile massive lorsqu'elle s'effondre est censée se contracter pour devenir ce que les physiciens appellent une singularité : une région où la matière est infiniment dense et où l'espace est infiniment courbé. Soit une configuration où les lois de la physique ne peuvent plus être appliquées.

Les deux chercheurs ont donc eu recours à la théorie de la gravitation quantique à boucles, une tentative de conciliation théorique entre la relativité générale et la mécanique quantique. En produisant des calculs découlant de cette théorie, ils ont constaté que l'effondrement de la matière au sein du trou noir n'était pas infini : il cesse à un moment donné, pour déboucher très vite sur un phénomène opposé : une explosion. Un peu comme si la matière "rebondissait", connaissant une phase d'expansion très rapide après sa contraction très intense sous forme de trou noir. Avec à la clé, cette conclusion : les trous noirs de notre univers sont voués tôt ou tard à exploser sous forme de "trous blancs"...

Or, ce modèle présente un avantage extrêmement séduisant pour les physiciens : elle résout le problème dit du « paradoxe de l’information ». De quoi s'agit-il ? Dans la théorie quantique, l'information ne peut pas être détruite. Même lorsque de la matière est perdue, l'information qu'elle contient ne peut pas disparaître : elle est forcément conservée, d'une manière ou d'une autre.

Problème : des travaux menés par le célèbre physicien Steven Hawking dans les années 70, connus sous le nom de "radiations de Hawking", stipulent que le trou noir finit par s'évaporer. En s'évaporant, le trou noir fait alors disparaître la matière qui était tombée à l'intérieur, et avec elle... l'information qu'elle contient. Ce qui viole donc le principe selon lequel, en physique quantique, l'information ne peut pas être détruite.

Mais avec ce nouveau modèle, le problème est résolu : en effet, lors de son explosion, le trou noir finit par libérer dans l'espace toute la matière qui était tombée en son sein, au lieu de la faire disparaître. Ce faisant, le trou noir libère donc également l'information que la matière contenait : l'information n'a donc pas disparu, et les principes de la physique quantique sont saufs...

Il est à noter que ce modèle entretient une forte parenté avec un autre modèle connu sous le nom de "Big Bounce" (le Grand Rebond), lequel ne s'applique pas à des objets célestes en particulier, mais à l'univers dans son ensemble. Selon le modèle du "Big Bounce", le Big-Bang serait en fait un épisode d'expansion, ayant succédé à un épisode de contraction. L'Univers alternerait donc des phases de contraction et des phases d'expansion, un peu comme s'il "rebondissait". Soit une mécanique similaire à celle du modèle proposé par Carlo Rovelli et Hal Haggard.

Selon le nouveau modèle des deux physiciens, le principe du Big Bounce pourrait donc non seulement être appliqué à l'Univers dans son ensemble comme l’avançait déjà le modèle du Big Bounce, mais aussi à un sous-ensemble de celui-ci (à savoir, l'étoile massive qui s'effondre en trou noir et son environnement proche).

Évidemment, ce nouveau modèle a des détracteurs, comme le rapporte un article publié sur le site de la revue Nature. Ainsi, le physicien Joseph Polchinski (Université de Californie à Santa Barbara, États-Unis) considère que les effets quantiques utilisés dans le modèle de Carlo Rovelli et Hal Haggard sont beaucoup trop importants pour être réalistes. Quant au physicien Donald Marolf, travaillant également à l'université de Californie de Santa Barbara, il considère que la matière expulsée lors de l'explosion du trou noir aurait une entropie plus faible (l'entropie est le degré de désordre qui existe au sein d'un système) que celle qui la caractérisait avant l'explosion, lorsqu'elle était circonscrite dans la toute petite région très dense du trou noir. Or, l'un des principes les plus fondamentaux de la physique stipule précisément que l'entropie ne peut jamais diminuer...

Toujours est-il que si ce modèle parvient un jour à être validé (sous réserve qu'il soit vraiment testable, ce qui semble difficilement envisageable à l'heure actuelle), alors il pourrait peut-être expliquer plusieurs phénomènes cosmiques dont l'origine demeure encore inconnue, comme les rayons cosmiques d'ultra-haute énergie (lire "Une mystérieuse source de rayons cosmiques ultra-énergétiques détectée") : en effet, ces rayons cosmiques porteurs d'une faramineuse quantité d'énergie, dont les scientifiques ne savent pas pour l'instant ce qui les cause véritablement, pourraient tout simplement provenir en réalité... de l'explosion de trous noirs.


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