Les cheveux des trous noirs pourraient permettre de résoudre le paradoxe de l’information qui tombe à l’intérieur
Au cœur de chaque trou noir se trouve un problème. Lorsqu’ils s’évanouissent dans le néant au fil des éons, ils emportent avec eux un petit morceau de l’Univers. Ce qui ne figure pas dans le règlement.
C’est un paradoxe que le regretté Stephen Hawking nous a légué dans le cadre de ses travaux révolutionnaires sur ces objets gigantesques, incitant les scientifiques à réfléchir à des solutions potentielles pendant près d’un demi-siècle.
Quelque part entre les deux plus grandes théories jamais élaborées en physique, il y a une minuscule mais importante faille. Trouver une solution permettrait soit de modéliser la relativité générale (théories des lois qui régissent l’infiniment grand) sous la forme d’un système de particules, soit de comprendre la physique quantique (théories des lois qui régissent l’infiniment petit) dans le cadre de l’espace et du temps. Si ce n’est une combinaison des deux.
La tentative récente d’une nouvelle théorie par des physiciens du Royaume-Uni, des États-Unis et de l’Italie (lien plus bas), dirigée par Xavier Calmet de l’Université du Sussex (Royaume-Uni) a certainement suscité un certain intérêt dans les médias, bien qu’il faille attendre un certain temps avant de savoir si c’est la solution que nous recherchons si désespérément.
D’un point de vue mathématique, il s’agit d’une nouvelle interprétation intelligente d’une idée qui circule depuis un certain temps, à savoir que les trous noirs sont en quelque sorte « poilus ».
Pour comprendre pourquoi un trou noir poilu pourrait être utile en matière de paradoxe, il est important de savoir pourquoi il y a un paradoxe au départ.
Pour faire court :
Le paradoxe de l’information, identifié pour la première fois par le regretté Stephen Hawking, a conduit à opposer des deux théories : celle de la relativité générale d’Einstein et la mécanique quantique, essentiellement inconciliables.
En bref, la première, celle d’Einstein, soutient que ce qui entre dans un trou noir ne peut pas en ressortir. La seconde, la mécanique quantique, dit que c’est impossible.
Cela signifie que l’une ou l’autre de ces théories pourrait s’avérer erronée et remettre en cause notre compréhension fondamentale du fonctionnement de l’Univers. La théorie quantique stipule que l’information sur une particule donnée est préservée, même si elle est détruite. Mais Hawking a découvert que les trous noirs émettent des particules qui ne contiennent plus aucune de ces informations, sous forme de « rayonnement de Hawking » (évaporation des trous noirs).
Pour faire long :
Les trous noirs sont des masses de matière si compactes que leur gravité déforme l’espace et le temps au point que rien ne peut atteindre la vitesse requise pour s’en échapper.
En temps normal, ce n’est pas un gros problème. Mais il y a environ un demi-siècle, Hawking s’est rendu compte que les trous noirs devaient « briller » d’une manière assez unique. En déformant l’Univers, ils modifient la nature ondulatoire des champs quantiques environnants de manière à produire une forme de rayonnement thermique.
Pour que les mathématiques s’équilibrent, cela signifie que les trous noirs émettent progressivement de l’énergie, se rétrécissent à un rythme accéléré et finissent par disparaître (rayonnement de Hawking).
Normalement, l’information qui tombe dans un objet rayonnant comme une étoile est représentée dans le spectre désordonné des couleurs qui jaillissent de sa surface. Ou elle est laissée dans son enveloppe froide et dense après sa mort.
Ce n’est pas le cas des trous noirs. Si la théorie du rayonnement d’Hawking est correcte, tout disparaîtrait. Ce qui compromet la grande règle de la physique quantique, selon laquelle l’information qui fait d’une particule une particule est conservée dans l’Univers.
Une partie importante du débat sur la nature de la banque d’informations d’un trou noir porte sur la mesure dans laquelle les caractéristiques et le comportement de son contenu continuent d’affecter son environnement même après son passage dans le trou.
Représentation artistique des champs magnétiques produits par un trou noir supermassif et son jet. (CFA/ M. Weiss)
Il existe des solutions pour les trous noirs dans la relativité générale qui reconnaissent que leur masse, leur moment angulaire et leur charge continuent de pousser et de tirer sur leur environnement local. Les connexions qui subsistent avec l’Univers sont décrites comme des poils (ou cheveux), et les théories qui présument de leur persistance sont appelées « yes-hair theorems » par opposition au “No-hair theorem” ou Théorème de calvitie.
Le fait d’avoir quelques cheveux donnerait aux trous noirs un moyen de conserver leurs données quantiques dans l’Univers, même s’ils disparaissent avec le temps.
C’est pourquoi les théoriciens se sont efforcés de trouver des moyens de faire en sorte que les lois qui régissent la courbure de l’espace et du temps s’accordent avec les lois qui régissent le partage des informations entre les particules.
Cette nouvelle solution applique le raisonnement quantique à la gravité sous la forme de particules théoriques appelées gravitons. Il ne s’agit pas de véritables particules comme les électrons et les quarks, car personne n’en a encore vu. Elles pourraient même ne pas exister du tout. Cela ne veut pas dire que nous ne pouvons pas imaginer à quoi elles pourraient ressembler si elles existaient, ou envisager les états quantiques dans lesquels elles pourraient opérer.
Par une série d’étapes logiques partant de la façon dont les gravitons pourraient potentiellement se comporter dans certaines conditions d’énergie, l’équipe démontre un modèle raisonnable de la façon dont l’information à l’intérieur d’un trou noir peut rester connectées à l’espace environnant à travers sa zone de non retour, l’horizon des évènements, sous forme de légères perturbations du champ gravitationnel du trou noir (les poils).
En tant que théorie, elle est intéressante et repose sur un cadre solide. Mais il reste encore beaucoup de chemin à parcourir avant de pouvoir déclarer ce paradoxe « résolu ».
D’une manière générale, la science progresse de deux façons. La première consiste à voir quelque chose d’étrange et à essayer d’en rendre compte. L’autre est de deviner quelque chose d’étrange, puis d’essayer de le trouver.
Disposer de ce genre de modèle théorique est inestimable dans la quête d’une solution à l’un des paradoxes les plus complexes de la physique.
Les deux études publiée dans la revue Physics Letters B : Quantum hair and black hole information et dans Physical Review Letters : Quantum Hair from Gravity. Présentées sur le site de l’Université du Sussex : Stephen Hawking’s famous black hole paradox solved after hair-raising discovery.
La semaine dernière une équipe internationale de physiciens a trouvé une solution pour mieux expliquer comment un trou noir qui s’effondre peut éviter de violer les lois fondamentales de la physique quantique :