Les chercheurs ont montré comment des singularités – qui ne se trouvent normalement qu'au centre des trous noirs et cachées à la vue – pourraient exister dans un espace tridimensionnel très courbé.

Les chercheurs, de l'Université de Cambridge, ont utilisé des simulations informatiques pour prédire l'existence d'une singularité dite nue, qui interfère avec la théorie de la relativité générale d'Einstein. C'est la première fois qu'une singularité nue, qui détruit les lois de la physique, a été prédite dans l'espace tridimensionnel. Les résultats sont rapportés dans le journal Lettres d'examen physique .

La théorie de la relativité générale d'Einstein sous-tend notre compréhension actuelle de la gravité :tout depuis l'estimation de l'âge des étoiles dans l'univers, aux signaux GPS sur lesquels nous comptons pour nous aider à naviguer, est basé sur ses équations. En partie, la théorie nous dit que la matière déforme son espace-temps environnant, et ce que nous appelons gravité est l'effet de cette déformation. Au cours des 100 années qui ont suivi sa publication, la relativité générale a réussi tous les tests qui lui ont été lancés, mais l'une de ses limites est l'existence de singularités.

Une singularité est un point où la gravité est si intense que l'espace, temps, et les lois de la physique s'effondrent. La relativité générale prédit que des singularités existent au centre des trous noirs, et qu'ils sont entourés d'un horizon d'événements - le "point de non-retour, ' où l'attraction gravitationnelle devient si forte qu'il est impossible de s'échapper, ce qui signifie qu'ils ne peuvent pas être observés de l'extérieur.

Depuis plus de 40 ans, les mathématiciens ont proposé que chaque fois que des singularités se forment, ils seront toujours cachés de cette manière – c'est ce qu'on appelle la « conjecture de censure cosmique ». Si vrai, la censure cosmique signifie qu'en dehors des trous noirs, ces singularités n'ont aucun effet mesurable sur quoi que ce soit, et les prédictions de la relativité générale restent valables.

Dans les années récentes, les chercheurs ont utilisé des simulations informatiques pour prédire l'existence de « singularités nues », c'est-à-dire singularités qui existent en dehors d'un horizon événementiel. Des singularités nues invalideraient la conjecture de censure cosmique et, par extension, la capacité de la relativité générale à expliquer l'univers comme une théorie autonome. Cependant, toutes ces prédictions ont été modélisées sur des univers qui existent dans des dimensions supérieures. Par exemple, en 2016, deux doctorats de Cambridge les étudiants ont prédit l'existence d'une singularité nue, mais leurs prédictions étaient basées sur un univers à cinq dimensions.

La nouvelle recherche, par Toby Crisford et Jorge Santos du Département de mathématiques appliquées et de physique théorique de Cambridge, a prédit l'existence d'une singularité nue dans un univers à quatre dimensions - trois dimensions spatiales, plus le temps—pour la première fois.

Leurs prédictions montrent qu'une singularité nue peut se former dans un type particulier d'espace courbe connu sous le nom d'espace anti-de Sitter, dans lequel l'univers a une forme distinctive de « selle ». Selon la relativité générale, les univers peuvent avoir différentes formes, et l'espace anti-de Sitter est l'une de ces formes possibles.

L'espace Anti-de Sitter a une structure très différente de l'espace plat. En particulier, il a une limite que la lumière peut atteindre, à quel point il est réfléchi. "C'est un peu comme avoir un espace-temps dans une boîte, " dit Crisford. " A la frontière, les parois de la boîte, nous avons la liberté de préciser ce que font les différents champs, et nous utilisons cette liberté pour ajouter de l'énergie au système et éventuellement forcer la formation d'une singularité."

Bien que les résultats ne soient pas directement applicables à notre univers, comme « forcer » une singularité n'est pas une procédure qu'il est possible de simuler dans un espace plat, ils ouvrent de nouvelles opportunités d'étudier d'autres théories pour comprendre l'univers. Une telle théorie pourrait impliquer la gravité quantique, qui fournit de nouvelles équations proches d'une singularité.

"La singularité nue que nous voyons est susceptible de disparaître si nous incluons des particules chargées dans notre simulation - c'est quelque chose que nous étudions actuellement, " dit Santos. " Si c'est vrai, cela pourrait impliquer un lien entre la conjecture de censure cosmique et la conjecture de gravité faible, qui dit que toute théorie cohérente de la gravité quantique doit contenir des particules suffisamment chargées. Dans l'espace anti-de Sitter, la conjecture de censure cosmique pourrait être sauvée par la conjecture de gravité faible. »