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De dangereux trous noirs «  nus  » pourraient se cacher dans l’univers

Les trous noirs sont des régions de densité infinie, appelées singularité. Et selon la physique dominante, chacun de ces grignoteurs de matière cosmique est bordé par un horizon d’événements – une frontière où une fois que vous tombez, vous ne sortez jamais.

Mais que se passe-t-il si certains trous noirs sont nus – manquant complètement de telles frontières? Pour autant que nous puissions le dire, les singularités sont toujours enveloppées dans des horizons d’événements, mais un examen plus détaillé des mathématiques de la relativité générale suggère que ce n’est pas forcément le cas.

Si de tels trous noirs nus parsèment l’univers, de nouvelles recherches révèlent comment nous pourrions en détecter un: en regardant l’anneau de lumière qui l’entoure.

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‘L’empereur n’a pas de vêtements’

Les trous noirs sont une conséquence de la mathématiques de la théorie générale d’Einstein relativité. Ces équations nous disent que si un amas de matière s’effondre sur lui-même en un volume trop petit, le la gravité de ça matière continuera simplement à le réduire de plus en plus petit jusqu’à ce qu’il s’écrase en un point infiniment petit. Ce point est appelé une singularité, et c’est un signal que les mathématiques que nous utilisons pour décrire l’espace-temps sont complètement en train de s’effondrer.

L’attraction gravitationnelle d’une singularité est infiniment forte. Les objets peuvent être attirés vers la singularité plus rapidement que la vitesse de la lumière. Près d’une singularité, la physique de la relativité générale ne peut plus prédire la trajectoire future des particules – qui est l’un des principaux points de la physique. Sans le pouvoir de faire des prédictions, la physique s’effondre.

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Heureusement, à notre connaissance, toutes les singularités sont enveloppées dans un horizon d’événements. L’horizon des événements est la distance par rapport à la singularité où l’attraction gravitationnelle est suffisamment forte pour attirer quoi que ce soit – le point où il faudrait voyager plus vite que la vitesse de la lumière pour s’échapper. C’est ce qui rend un trou noir noir – même la lumière ne peut leur échapper.

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Depuis que nous avons découvert l’existence des trous noirs pour la première fois, nous nous sommes demandé s’il était possible de former une singularité sans l’horizon d’événement associé – une singularité dite «nue». Ce serait en effet un endroit très dangereux, car ce serait un endroit où les lois de la physique se décomposent et qui est entièrement accessible au reste de l’univers. Au moins avec un trou noir traditionnel, la singularité est enveloppée en toute sécurité sous un horizon d’événements, donc même s’il s’agit d’un lieu de physique extrême et inconnue, au moins quoi qu’il arrive, il est enfermé loin du reste du cosmos.

Tordre un point

Si des singularités nues existent, elles ne sont certainement pas courantes. Nous ne connaissons qu’une seule manière confirmée de former des singularités, et c’est à ce moment qu’une étoile géante manque de carburant et s’effondre sur elle-même. Lorsque cela se produit, la singularité obtient naturellement un horizon d’événement.

La présence d’une singularité nue est si troublante pour les physiciens qu’ils ont supposé que la nature ne leur permettait peut-être pas du tout d’exister – mais jusqu’à présent nous n’avons aucune preuve de cette idée.

Il pourrait être possible de former des singularités nues, mais seulement dans les conditions les plus extrêmes. Si un trou noir tourne, il peut former un deuxième horizon d’événements, niché à l’intérieur du premier. Plus un trou noir tourne vite, plus ces horizons d’événements se rapprochent. S’il tourne assez vite, le mathématiques prédit que les horizons d’événements peuvent «s’annuler» (la physique réelle est bien sûr beaucoup plus compliquée, mais vous voyez l’idée) et révéler une singularité nue.

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Jusqu’à présent, nous n’avons identifié aucun trou noir tournant assez vite pour éventuellement exposer leurs singularités, mais sinon, nous n’avons généralement aucun moyen de déterminer si un objet astrophysique aléatoire est un trou noir régulier ou une singularité nue. L’image fournie par le télescope Event Horizon est une exception, bien sûr, mais nous n’avons pas beaucoup d’images comme celle-là.

Faire la différence

Un physicien théoricien a relevé ce défi de front en étudiant si une singularité nue pouvait se révéler d’une autre manière, surtout si elle est entourée d’un anneau de matière, comme le rapporte un article publié le 12 novembre sur le serveur du journal de pré-impression. arXiv. Cet anneau, appelé disque d’accrétion, est une caractéristique commune autour des trous noirs (et des singularités potentiellement nues). Lorsque le gaz et la poussière tombent sur un objet dense et compact, ce matériau s’aplatit en un disque avant de s’acheminer complètement vers le bas. Ce disque peut être incroyablement brillant, trahissant l’existence d’un trou noir (en fait, c’est ainsi que l’on connaît l’existence de la grande majorité des trous noirs de l’univers).

La plupart des études théoriques sur les singularités nues ont supposé que l’objet existe de manière isolée, ce qui n’est pas vrai dans l’univers réel. Dans le nouveau travail, le théoricien a examiné l’ensemble de la situation complexe et a trouvé un résultat surprenant.

Le disque d’accrétion n’est pas complètement séparé du trou noir (ou singularité nue). Le disque lui-même a sa propre attraction gravitationnelle, et il peut tordre et déformer l’objet compact au centre. Cette distorsion affecte à son tour l’environnement gravitationnel autour de l’objet, modifiant subtilement la trajectoire du matériau tourbillonnant vers l’intérieur.

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Le théoricien a découvert qu’une singularité nue se comporte un peu différemment d’un trou noir normal – le disque d’accrétion autour d’une singularité nue peut être beaucoup, beaucoup plus brillant qu’autour d’un trou noir. Jusqu’à présent, nos télescopes n’ont pas la sensibilité de faire la différence, les futurs instruments le pourraient; peut-être qu’une version mise à jour du télescope Event Horizon ferait l’affaire.

Trouver une singularité nue dans la nature serait une révélation majeure en physique. Nous pourrions pointer vers un endroit dans le ciel où nous savons que nos connaissances s’effondrent. Des études plus détaillées de l’environnement autour d’une singularité nue confirmée dévoileraient certains des mystères les plus profonds de l’univers.

Publié à l’origine sur 45Secondes.fr.

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