Les trous noirs sont peut-être les objets les plus étranges et les moins compris de notre univers. Avec tant de potentiel – étant liés à tout, des trous de ver aux nouveaux univers de bébé – ils ont aspiré les physiciens pendant des décennies.
Mais aussi étranges que soient ces objets connus, même des types plus étranges de trous noirs pourraient être imaginés. Dans une version hypothétique à l’envers de l’univers, un type bizarre de trou noir pourrait exister qui est plus étrange qu’un croquis de MC Escher. Désormais, une équipe de chercheurs a plongé au cœur mathématique des soi-disant trous noirs chargés et a trouvé une flopée de surprises, dont un enfer d’espace-temps et un paysage fractal exotique… et potentiellement plus.
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Bienvenue dans un supraconducteur holographique
Il existe toutes sortes de trous noirs potentiels, hypothétiques: ceux avec ou sans charge électrique, ceux qui tournent ou stationnaires, ceux qui sont entourés de matière ou ceux qui flottent dans l’espace vide. Certains de ces trous noirs hypothétiques sont connus pour exister dans notre univers; par exemple, le trou noir rotatif entouré de matière infaillante est une présence assez courante. Nous en avons même pris une photo.
Mais certains autres types de trous noirs sont purement théoriques. Même ainsi, les physiciens sont toujours intéressés à les explorer – en plongeant dans leurs fondements mathématiques, nous pouvons réaliser de nouvelles relations et implications de nos théories physiques, qui peuvent avoir des conséquences dans le monde réel.
Un de ces trous noirs théoriques est un trou noir chargé électriquement entouré d’un certain type d’espace connu sous le nom d’anti-de Sitter. Sans entrer trop dans le vif du sujet, ce type d’espace a une courbure géométrique négative constante, comme une selle de cheval, qui, nous le savons, n’est pas une bonne description de notre univers. (Un cosmos avec un espace anti-de Sitter, toutes choses étant identiques, aurait une constante cosmologique négative, ce qui signifie que toute matière aurait tendance à se condenser en un trou noir, par rapport à l’expansion accélérée connue qui jette l’univers à part.
Cet espace de cheval-selle n’existe pas dans notre univers, mais ce n’est pas grave: il s’avère que ces trous noirs exotiques ont encore des structures étonnamment complexes qui méritent d’être explorées.
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L’une des raisons pour lesquelles il vaut la peine d’explorer est que les trous noirs chargés partagent de nombreuses similitudes avec les trous noirs rotatifs, qui existent certainement dans notre univers, mais les trous noirs chargés sont mathématiquement plus simples à gérer. Ainsi, en étudiant les trous noirs chargés, nous pouvons obtenir des informations sur les trous noirs rotatifs du monde réel.
En outre, les physiciens ont découvert que lorsque ces trous noirs deviennent relativement froids, ils créent un «brouillard» de champs quantiques autour de leurs surfaces. Cette brume colle à la surface, attirée vers l’intérieur par la gravité infatigable du trou noir lui-même, mais poussée vers l’extérieur par la répulsion électrique du même trou noir. Un brouillard de champs quantiques fonctionnant en stabilité sur une surface est également connu sous le nom de supraconducteur. Les supraconducteurs ont des applications dans le monde réel (à savoir, ils peuvent transmettre du courant électrique sans résistance), donc voir comment les supraconducteurs jouent dans ces scénarios exotiques nous aide à comprendre leurs structures mathématiques, ce qui peut potentiellement conduire à de nouvelles connaissances avec des applications réelles.
Dans une étude publiée le 28 août dans la base de données de pré-impression arXiv, une équipe de chercheurs a récemment utilisé le langage de la supraconductivité pour découvrir ce qui se trouve plus loin sous la surface de ces hypothétiques trous noirs.
Plongeons-nous.
Le presque-trou de ver
Les trous noirs chargés « normaux » – ceux qui sont entourés d’un espace-temps typique de jardin-variété que vous pourriez trouver dans notre univers – ont quelques bizarreries à l’intérieur. Premièrement, au-delà de l’horizon des événements (la limite de chaque trou noir, où une fois que vous êtes tombé, vous ne pouvez pas sortir) se trouve quelque chose appelé un horizon intérieur, une région d’énergies quantiques intenses. Au-delà, il y a un trou de ver, un pont vers un trou blanc dans une autre section solitaire de l’univers (du moins, selon les mathématiques).
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Je dois noter ici que nous ne savons pas vraiment si des trous de ver comme celui-ci existent dans la vraie vie, parce que les mathématiques des trous noirs chargés se décomposent à l’horizon intérieur, et rien de plus ne peut être appris jusqu’à ce que nous développions une nouvelle physique. Heureusement, les trous noirs chargés entourés d’un espace anti-de Sitter, que nous appellerons pour l’instant des trous noirs supraconducteurs, évitent ce problème.
La bonne nouvelle est que l’horizon intérieur d’un trou noir supraconducteur se décompose, vous permettant de le franchir en douceur sans vous spaghettiser comme vous le feriez dans un trou noir ordinaire et stationnaire. La mauvaise nouvelle est que le pont de trou de ver à l’intérieur d’un trou noir supraconducteur se déchire également, vous ne pouvez donc pas vous transporter dans les étoiles lointaines.
Mais cela ne veut pas dire que rien d’intéressant ne vous arrive. Juste à l’intérieur de ce qui aurait été l’horizon intérieur, l’intérieur d’un trou noir supraconducteur devient un peu mousseux.
Normalement, les particules dans un supraconducteur réel peuvent osciller, soutenant des ondes qui se balancent dans un effet connu sous le nom d’oscillations Josephson. Et au fond de ces trous noirs, l’espace lui-même vibre d’avant en arrière. Si vous tombiez physiquement dans l’une de ces bêtes, vous feriez une promenade cahoteuse.
Un univers étrange
Mais une fois que vous avez dépassé l’espace-temps vibrant, ce qui vient ensuite est vraiment mystifiant. Les chercheurs ont découvert que les régions les plus internes d’un trou noir supraconducteur peuvent présenter un univers en expansion en miniature grotesque, un endroit où l’espace peut s’étirer et se déformer à différentes vitesses dans différentes directions.
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De plus, en fonction de la température du trou noir, certaines de ces régions de l’espace peuvent déclencher un nouveau cycle de vibrations, qui créent ensuite un nouveau patch d’espace en expansion, qui déclenchent un nouveau cycle de vibrations, qui créent ensuite un nouveau patch de l’espace en expansion, et ainsi de suite à des échelles toujours plus petites.
Ce serait un mini univers fractal, se répétant à l’infini des grandes échelles aux petites. Il est carrément impossible de décrire ce que ce serait de traverser un tel paysage, mais ce serait sûrement bizarre.
Au centre de cet étrange désordre fractal et chaotique se trouve la singularité: le point de densité infinie, l’endroit où réside chaque parcelle de matière qui est jamais tombée dans le trou noir.
Malheureusement, même avec leurs techniques mathématiques supraconductrices super-chargées, les chercheurs ne peuvent pas décrire ce qui se passe à la singularité. Toute la physique connue se décompose, nécessitant de nouvelles théories de la gravité pour une description complète.
Qui sait ce que vous trouverez au centre d’un trou noir supraconducteur, mais au moins vous apprécierez la descente.
Publié à l’origine sur 45secondes.fr.
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