Les trous noirs n’existent peut-être pas, mais les boules de duvet pourraient le faire, selon la théorie sauvage

Les trous noirs sont, de loin, les objets les plus mystérieux de l’univers. Ce sont des objets du cosmos où toutes nos connaissances de la physique s’effondrent complètement.

Et pourtant, malgré leur apparente impossibilité, ils existent. Mais que se passe-t-il si ces monstres gravitationnels ne sont pas du tout des trous noirs, mais plutôt l’équivalent cosmique de boules de cordes floues et vibrantes?

De nouvelles recherches suggèrent que c’est peut-être le cas et qu’avec les observations à venir, nous pourrons peut-être les voir.

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Le problème des trous noirs

Les trous noirs apparaissent dans la théorie d’Einstein du général relativité, et par tous les droits, ils ne devraient tout simplement pas exister. Dans cette théorie, si un amas de matière se réduit en un volume assez petit, alors la gravité peut devenir extrêmement fort. Cette compression gravitationnelle insensée peut surpasser n’importe laquelle des autres quatre forces fondamentales de la nature – comme la force nucléaire puissante qui maintient cette masse de matière ensemble. Une fois qu’un certain seuil critique est atteint, l’amas de matière se serre et se serre, se comprimant en un point infiniment petit.

Ce point infiniment petit est connu sous le nom de singularité, et il est entouré d’une surface connue sous le nom d’horizon des événements – l’endroit où l’attraction intérieure de la gravité dépasse la vitesse de la lumière.

Bien sûr, il n’y a pas de point infiniment petit, donc cette image semble fausse. Mais au milieu du 20e siècle, les astronomes ont commencé à trouver des objets qui ressemblaient à des trous noirs, agissaient comme des trous noirs et sentaient probablement aussi les trous noirs. Malgré leur impossibilité, ils étaient là, flottant dans l’univers.

Et ce n’est pas le seul problème. En 1976, le physicien Stephen Hawking s’est rendu compte que les trous noirs ne sont pas complètement noirs. En raison de l’étrangeté de mécanique quantique, les trous noirs s’évaporent lentement. Cela a conduit à un paradoxe: toutes les informations qui tombent dans un trou noir sont enfermées à l’intérieur. Mais le rayonnement de Hawking n’emporte pas cette information (du moins, pour autant que nous comprenions). Alors, quand le trou noir finit par s’évaporer, qu’arrive-t-il à toutes ces informations?

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Une solution filandreuse

Au fil des décennies, les physiciens théoriciens ont travaillé dur pour trouver quelque chose – n’importe quoi – pour expliquer les trous noirs. Quelque chose qui explique le paradoxe de l’information et quelque chose pour remplacer la singularité par des mathématiques qui fonctionnent.

Parmi ces théoriciens, il y a ceux qui travaillent sur théorie des cordes, qui est un modèle de l’univers qui remplace toutes les particules et forces que vous aimez par des cordes subatomiques et vibrantes. En théorie des cordes, ces chaînes sont les constituants fondamentaux de matière dans l’univers, mais nous ne pouvons pas les voir comme des chaînes parce qu’elles sont si petites. Oh, et pour que les mathématiques de la théorie des cordes fonctionnent, il doit y avoir des dimensions supplémentaires – toutes minuscules, recroquevillées sur elles-mêmes à des échelles subatomiques afin que nous ne les voyions pas non plus.

La théorie des cordes prétend être une théorie de tout, capable d’expliquer chaque type de particule, chaque type de force, et fondamentalement tout dans l’univers (et, pour être complet, l’univers entier lui-même).

La théorie des cordes devrait donc être capable d’expliquer l’inexplicable: elle devrait pouvoir remplacer les trous noirs par quelque chose de moins effrayant.

Et, en effet, les théoriciens des cordes ont proposé un remplacement moins effrayant des trous noirs. On les appelle des fuzzballs.

Démêler le fil

En théorie des cordes, les trous noirs ne sont ni noirs ni des trous. Au lieu de cela, la meilleure métaphore pour expliquer ce qu’est une fuzzball est de regarder un autre objet compact et étrange dans l’univers: étoiles à neutrons.

Les étoiles à neutrons sont ce qui se passe lorsqu’un objet n’a pas assez de gravité pour se comprimer en ce que nous appelons un trou noir. À l’intérieur d’une étoile à neutrons, la matière est comprimée dans son état de densité le plus élevé possible. Les neutrons sont l’un des constituants fondamentaux de les atomes, mais ils jouent généralement avec d’autres particules telles que les protons et les électrons. Mais dans une étoile à neutrons, ce genre de camaraderie atomique se décompose et se dissout, ne laissant que des neutrons entassés aussi étroitement que possible.

Avec les fuzzballs, les cordes fondamentales cessent de fonctionner ensemble et se rassemblent simplement pour devenir une grosse boule de cordes. Une fuzzball.

Les Fuzzballs ne sont pas complètement étoffés, même en théorie, car aussi cool que la théorie des cordes sonne, personne n’a jamais été en mesure de trouver une solution mathématique complète pour cela – et donc les Fuzzballs ne sont pas seulement flous dans la réalité physique, mais aussi floue dans la possibilité mathématique.

Néanmoins, nous pourrions être en mesure de trouver des fuzzballs avec des enquêtes à venir, comme décrit dans un article de synthèse publié le 27 octobre dans le journal de pré-impression arXiv. Nous commençons tout juste à aller au-delà de la preuve de l’existence des trous noirs et vers

sonder les détails de leur comportement, et notre meilleure façon de le faire est d’utiliser les ondes gravitationnelles.

Lorsque les trous noirs entrent en collision et fusionnent, ils libèrent un tsunami d’ondes gravitationnelles, qui traversent le cosmos, atteignant finalement nos détecteurs sur Terre. Pour toutes les dizaines de fusions de trous noirs dont nous avons été témoins jusqu’à présent, la signature de l’onde gravitationnelle est exactement ce que la relativité générale prévoit de faire.

Mais les futurs instruments, comme l’observatoire avancé à interféromètre laser à ondes gravitationnelles (LIGO) et l’antenne spatiale à interféromètre laser (un détecteur d’ondes gravitationnelles basé dans l’espace proposé), pourraient avoir la sensibilité nécessaire pour faire la différence entre les trous noirs normaux et les boules de duvet filandreuses. Je dis «pourrait» parce que différents modèles de fuzzball prédisent différentes variations par rapport au comportement standard des trous noirs.

Si nous parvenons à trouver des preuves de fuzzballs, cela ne répondrait pas simplement à la question de savoir ce que sont réellement les trous noirs; cela révélerait certains des fondements les plus profonds de la nature.

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