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Que se passe-t-il au centre d’un trou noir?

Que Se Passe T Il Au Centre D'un Trou Noir?

Paul M. Sutter est astrophysicien à SUNY Stony Brook et le Flatiron Institute, hôte de Demandez à un Spaceman et Radio spatiale, et auteur de Comment mourir dans l’espace. Sutter a contribué cet article à Expert Voices de Space.com: Op-Ed & Insights.

La singularité au centre d’un trou noir est le no man’s land ultime: un lieu où la matière est comprimée jusqu’à un point infiniment minuscule, et toutes les conceptions du temps et de l’espace s’effondrent complètement. Et ça n’existe pas vraiment. Quelque chose doit remplacer la singularité, mais nous ne savons pas exactement quoi.

Explorons quelques possibilités.

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Étoiles de Planck

Il se peut qu’au fond d’un trou noir, la matière ne soit pas écrasée à un point infiniment petit. Au lieu de cela, il pourrait y avoir une configuration de matière la plus petite possible, la plus petite poche de volume possible.

C’est ce qu’on appelle une étoile de Planck, et c’est une possibilité théorique envisagée par la gravitation quantique à boucle, qui est elle-même une proposition hautement hypothétique pour créer une version quantique de la gravité. Dans le monde de la gravitation quantique en boucle, l’espace et le temps sont quantifiés – l’univers qui nous entoure est composé de minuscules morceaux discrets, mais à une échelle si incroyablement petite que nos mouvements semblent lisses et continus.

Ce fragment théorique de l’espace-temps offre deux avantages. Premièrement, il porte le rêve de la mécanique quantique à sa conclusion ultime, expliquant la gravité de manière naturelle. Et deuxièmement, il est impossible pour les singularités de se former à l’intérieur des trous noirs.

Alors que la matière s’écrase sous l’immense poids gravitationnel d’une étoile qui s’effondre, elle rencontre une résistance. La discrétion de l’espace-temps empêche la matière d’atteindre quelque chose de plus petit que la longueur de Planck (environ 1,68 fois 10 ^ -35 mètres, donc… petit). Tout le matériel qui est jamais tombé dans le trou noir est comprimé en une boule pas beaucoup plus grosse que cela. Parfaitement microscopique, mais certainement pas infiniment petit.

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Cette résistance à la compression continue oblige finalement le matériau à se détacher (c’est-à-dire à exploser), faisant des trous noirs des objets temporaires. Mais en raison des effets extrêmes de dilatation du temps autour des trous noirs, de notre point de vue dans l’univers extérieur, il faut des milliards, voire des billions, d’années avant qu’ils ne explosent. Nous sommes donc tous prêts pour le moment.

Gravastars

Une autre tentative d’éradication de la singularité – qui ne repose pas sur des théories non testées de la gravité quantique – est connue sous le nom de gravastar. C’est un concept tellement théorique que mon correcteur orthographique n’a même pas reconnu le mot.

La différence entre un trou noir et un gravastar est qu’au lieu d’une singularité, le gravastar est rempli d’énergie sombre. L’énergie sombre est une substance qui imprègne l’espace-temps, l’amenant à se développer vers l’extérieur. Cela ressemble à de la science-fiction, mais c’est réel: l’énergie noire est actuellement en fonctionnement dans le cosmos plus vaste, ce qui fait que notre univers entier accélère dans son expansion.

Lorsque la matière tombe sur un gravastar, elle n’est pas capable de pénétrer réellement dans l’horizon des événements (en raison de toute cette énergie sombre à l’intérieur) et se bloque donc simplement à la surface. Mais en dehors de cette surface, les gravastars ressemblent et agissent comme des trous noirs normaux.

Cependant, des observations récentes de fusion de trous noirs avec des détecteurs d’ondes gravitationnelles ont potentiellement exclu l’existence de gravastars, car la fusion des gravastars donnera un signal différent de la fusion des trous noirs, et des équipements comme LIGO (the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) et Virgo sont obtenir de plus en plus d’exemples par jour. Bien que les gravastars ne soient pas vraiment interdits dans notre univers, ils sont définitivement sur de la glace mince.

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Allons faire un tour

Les étoiles de Planck et les gravastars peuvent avoir des noms impressionnants, mais la réalité de leur existence est mise en doute. Alors peut-être y a-t-il une explication plus banale aux singularités, basée sur une vision plus nuancée – et réaliste – des trous noirs dans notre univers.

L’idée d’un point unique de densité infinie vient de notre conception des trous noirs stationnaires, non rotatifs, non chargés, plutôt ennuyeux. Les vrais trous noirs sont des personnages beaucoup plus intéressants, surtout lorsqu’ils tournent.

La rotation d’un trou noir en rotation étire la singularité dans un anneau. Et selon les mathématiques de la théorie de la relativité générale d’Einstein (qui est le seul calcul que nous ayons), une fois que vous passez par la singularité de l’anneau, vous entrez dans un trou de ver et ressortez à travers un trou blanc (l’opposé polaire d’un trou noir , où rien ne peut entrer et où la matière se précipite à la vitesse de la lumière) dans une zone entièrement nouvelle et passionnante de l’univers.

Un défi: les intérieurs des trous noirs en rotation sont d’une instabilité catastrophique. Et c’est selon les mêmes calculs qui conduisent à la prédiction des voyages vers un nouvel univers.

Le problème avec la rotation des trous noirs est que… eh bien, ils tournent. La singularité, tendue en anneau, tourne à un rythme si fantastique qu’elle possède une force centrifuge incroyable. Et en relativité générale, des forces centrifuges assez fortes agissent comme de l’antigravité: elles poussent, pas tirent.

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Cela crée une limite à l’intérieur du trou noir, appelée horizon intérieur. En dehors de cette région, le rayonnement tombe vers l’intérieur vers la singularité, contraint par l’extrême attraction gravitationnelle. Mais le rayonnement est poussé par l’antigravité près de la singularité de l’anneau, et le point tournant est l’horizon intérieur. Si vous rencontriez l’horizon intérieur, vous feriez face à un mur de rayonnement infiniment énergétique – toute l’histoire passée de l’univers, projetée dans votre visage en moins d’un clin d’œil.

La formation d’un horizon intérieur sème les graines de la destruction du trou noir. Mais les trous noirs en rotation existent certainement dans notre univers, ce qui nous indique que nos calculs sont faux et que quelque chose de funky se passe.

Que se passe-t-il vraiment dans un trou noir? Nous ne savons pas – et le plus effrayant est que nous ne saurons peut-être jamais.

En savoir plus en écoutant l’épisode “Que se passe-t-il vraiment au centre d’un trou noir?” sur le podcast Ask A Spaceman, disponible sur iTunes et sur le Web à http://www.askaspaceman.com. Merci à Andy P., Brittany, Jeff J., Robert S., Vladimir B., Jack S., @Grobillard et James L. pour les questions qui ont conduit à cette pièce! Posez votre propre question sur Twitter en utilisant #AskASpaceman ou en suivant Paul @PaulMattSutter et facebook.com/PaulMattSutter.

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