Le centre des trous noirs géants pourrait faire la lumière sur l’origine de l’univers
Les trous noirs, qui aspirent les étoiles et toute autre matière, et qu’on ne pouvait pas voir auparavant car ils n’émettent pas de lumière, ont pu être observés ces dernières années grâce aux télescopes gravitationnels. Les scientifiques financés par l’UE dans le cadre du projet BHLOC ont étendu la base théorique pour comprendre ce qui se trouvait au centre des trous noirs. «Les scientifiques ont désormais confirmé que le centre de chaque galaxie abrite, au-delà de tout doute raisonnable, un trou noir massif. Mais notre savoir est encore très limité. Ce que nous savons c’est qu’un trou noir tourne à une certaine vitesse, possède une masse, une énergie et une charge électrique. Et nos connaissances se limitent à ces informations», explique Nick Halmagyi, coordinateur du projet et professeur chargé de recherche au Laboratoire de physique théorique et hautes énergies (LPTHE) de l’Université Paris-Sorbonne. Le projet BHLOC a travaillé sur le calcul des corrections de gravitation qui pourraient s’avérer importantes pour la compréhension de l’histoire des premiers instants du big bang qui a créé l’univers. «Quand nous changeons la quantité d’énergie, ce qui signifie remonter de plus en plus vers le big bang, il existe certains moments où tout peut changer et lorsque cela se produit, nous nous attendons à ce que l’étude de la gravitation à elle seule ne soit pas suffisante. Des corrections supplémentaires sont nécessaires», explique le professeur Halmagyi. Avec ces connaissances infimes, «tous les calculs que nous pourrons réaliser amélioreront clairement notre compréhension des trous noirs, ce qui constitue un progrès», remarque Shailesh Lal, ancien chercheur à l’Université nationale de Séoul en Corée du Sud et en Inde, avant d’obtenir une bourse Marie Curie au LPTHE. Propriétés quantiques Disposant d’une bonne compréhension des propriétés statistiques et donc de l’entropie (la mesure du degré de désordre au niveau microscopique) des théories gravitationnelles étendues, «nous avons voulu comprendre les propriétés quantiques des trous noirs», explique le Dr Lal. Feu les astrophysiciens de l’Université de Cambridge Stephen Hawking et Jacob Beckenstein ont jadis élaboré une théorie sur l’entropie des trous noirs. «Ils ont découvert que les trous noirs se comportent comme s’ils étaient composés de nombreuses petites pièces», explique le professeur Halmagyi, qui appelle ces particules «des molécules gravitationnelles». Par conséquent, tout ce qui se trouve à l’intérieur d’un trou noir peut être étudié grâce à la théorie quantique, la théorie des particules minuscules. «Nous soupçonnons qu’à l’intérieur des trous noirs se trouve une quantité innombrable de “molécules”, mais ce ne sont pas des molécules comme nous l’avons jamais imaginé, il s’agit d’une gravitation importante et étrange que nous ne comprenons pas vraiment», poursuit le professeur Halmagyi. «Nous essayons donc de saisir les détails [théoriques] de ces “molécules” et de les généraliser vers un type de trou noir que nous pouvons réellement observer dans l’univers.» Nouveaux aspects des théories combinées Le défi que doivent relever les physiciens théoriciens est de trouver ce que le professeur Halmagyi appelle le «point idéal» entre les modèles théoriques simplifiés qui fournissent certains résultats et les théories généralisées qui, bien que vastes et complexes, sont plus aptes à expliquer le monde réel. La théorie des cordes, une théorie populaire de la gravitation quantique, a été utilisée pour prévoir ce qui se trouve à l’intérieur d’un trou noir. Le projet BHLOC «concernait un aspect particulier du fonctionnement de la théorie des cordes, pour nous apporter des connaissances sur les “molécules” qui composent les trous noirs, à l’aide de la théorie quantique des champs – une théorie quantique qui n’intègre pas la gravitation», explique le Dr Lal. Les physiciens théoriciens ont étudié les plus petits trous noirs en rotation, connus sous le nom de trous noirs extrémaux, en utilisant un modèle mathématique prédictif simplifié appelé «modèle-jouet». «Ainsi, si nous simplifions [le modèle] encore un peu plus, nous obtiendrons des descriptions précises des “molécules”. C’était une énorme réussite de la théorie des cordes», explique le professeur Halmagyi. «La théorie quantique des champs et la gravitation sont les clés de voute de la physique. Et cette théorie les relie d’une manière que nous n’avons jamais vue auparavant», conclut-il.
Mots‑clés
BHLOC, cosmologie, astrophysique, théorie des cordes, physique quantique, théorie quantique, gravitation, trous noirs
