Passer à travers l'horizon extérieur ou l'horizon des événements d'un trou noir serait sans incident pour un trou noir massif. Animation par Andrew Hamilton, basé sur la simulation de supercalculateur par John Hawley.
Dans le monde réel, votre passé détermine de manière unique votre avenir. Si un physicien sait comment l'univers a commencé, elle peut calculer son avenir pour tous les temps et tous les espaces.
Mais un mathématicien de l'UC Berkeley a trouvé certains types de trous noirs dans lesquels cette loi s'effondre. Si quelqu'un s'aventurait dans l'un de ces trous noirs relativement bénins, ils pourraient survivre, mais leur passé s'effacerait et ils pourraient avoir une infinité d'avenirs possibles.
De telles affirmations ont été faites dans le passé, et les physiciens ont invoqué une "forte censure cosmique" pour l'expliquer. C'est-à-dire, quelque chose de catastrophique - généralement une mort horrible - empêcherait les observateurs d'entrer réellement dans une région de l'espace-temps où leur avenir n'était pas déterminé de manière unique. Ce principe, proposé pour la première fois il y a 40 ans par le physicien Roger Penrose, garde sacro-sainte une idée – le déterminisme – clé de toute théorie physique. C'est-à-dire, vu le passé et le présent, les lois physiques de l'univers ne permettent pas plus d'un futur possible.
Mais, dit Peter Hintz, boursier postdoctoral de l'UC Berkeley, les calculs mathématiques montrent que pour certains types spécifiques de trous noirs dans un univers comme le nôtre, qui se développe à un rythme accéléré, il est possible de survivre au passage d'un monde déterministe à un trou noir non déterministe.
Ce que serait la vie dans un espace où l'avenir était imprévisible n'est pas clair. Mais cette découverte ne signifie pas que les équations de la relativité générale d'Einstein, qui jusqu'ici décrivent parfaitement l'évolution du cosmos, sont faux, dit Hintz, un chercheur en argile.
"Aucun physicien ne va voyager dans un trou noir et le mesurer. C'est une question mathématique. Mais de ce point de vue, cela rend les équations d'Einstein mathématiquement plus intéressantes, " dit-il. " C'est une question que l'on ne peut vraiment étudier que mathématiquement, mais il a du physique, implications presque philosophiques, ce qui le rend très cool."
"Cette... conclusion correspond à un grave échec du déterminisme en relativité générale qui ne peut être pris à la légère compte tenu de l'importance dans la cosmologie moderne" de l'accélération de l'expansion, a déclaré ses collègues de l'Université de Lisbonne au Portugal, Vitor Cardoso, João Costa et Kyriakos Destounis, et à l'Université d'Utrecht, Aron Jansen.
Comme cité par Monde de la physique , Gary Horowitz de l'UC Santa Barbara, qui n'a pas participé à la recherche, a déclaré que l'étude fournit "la meilleure preuve que je connaisse d'une violation d'une forte censure cosmique dans une théorie de la gravité et de l'électromagnétisme".
Hintz et ses collègues ont publié un article décrivant ces trous noirs inhabituels le mois dernier dans le journal Lettres d'examen physique .
Au-delà de l'horizon des événements
Les trous noirs sont des objets bizarres qui tirent leur nom du fait que rien ne peut échapper à leur gravité, même pas de lumière. Si vous vous aventurez trop près et traversez ce qu'on appelle l'horizon des événements, vous ne vous échapperez jamais.
Pour les petits trous noirs, vous ne survivriez jamais à une approche aussi proche de toute façon. Les forces de marée proches de l'horizon des événements suffisent à tout spaghettifier :c'est-à-dire l'étirer jusqu'à ce que ce soit une chaîne d'atomes.
Mais pour les grands trous noirs, comme les objets supermassifs au cœur des galaxies comme la Voie lactée, qui pèsent des dizaines de millions voire des milliards de fois la masse d'une étoile, traverser l'horizon des événements serait, bien, sans incidents.
Parce qu'il devrait être possible de survivre à la transition de notre monde au monde du trou noir, les physiciens et les mathématiciens se sont longtemps demandé à quoi ressemblerait ce monde, et se sont tournés vers les équations de la relativité générale d'Einstein pour prédire le monde à l'intérieur d'un trou noir. Ces équations fonctionnent bien jusqu'à ce qu'un observateur atteigne le centre ou la singularité, où dans les calculs théoriques la courbure de l'espace-temps devient infinie.
Avant même d'atteindre le centre, cependant, une exploratrice de trous noirs – qui ne serait jamais en mesure de communiquer ce qu'elle a trouvé au monde extérieur – pourrait rencontrer des jalons étranges et mortels. Hintz étudie un type spécifique de trou noir - un standard, trou noir non rotatif avec une charge électrique - et un tel objet a un horizon dit de Cauchy dans l'horizon des événements.
L'horizon de Cauchy est le point de rupture du déterminisme, où le passé ne détermine plus l'avenir. Physiciens, dont Penrose, ont fait valoir qu'aucun observateur ne pourrait jamais passer par le point d'horizon de Cauchy car ils seraient annihilés.
Au fur et à mesure de l'argumentation, comme un observateur s'approche de l'horizon, le temps ralentit, puisque les horloges tournent plus lentement dans un champ gravitationnel fort. Comme la lumière, les ondes gravitationnelles et tout ce qui rencontre le trou noir tombent inévitablement vers l'horizon de Cauchy, un observateur tombant également vers l'intérieur verrait finalement toute cette énergie affluer en même temps. En effet, toute l'énergie que le trou noir voit au cours de la vie de l'univers atteint l'horizon de Cauchy en même temps, faisant exploser dans l'oubli tout observateur qui arrive aussi loin.
Un diagramme espace-temps de l'effondrement gravitationnel d'une étoile sphérique chargée pour former un trou noir chargé. Un observateur voyageant à travers l'horizon des événements finira par rencontrer l'horizon de Cauchy, la limite de la région de l'espace-temps qui peut être prédite à partir des données initiales. Hintz et ses collègues ont découvert qu'une région de l'espace-temps, signalé par un point d'interrogation, ne peut pas être prédit à partir des données initiales dans un univers avec une expansion accélérée, comme le nôtre. Cela viole le principe d'une forte censure cosmique. Crédit :APS/Alan Stonebraker
Vous ne pouvez pas voir pour toujours dans un univers en expansion
Hintz s'est rendu compte, cependant, que cela peut ne pas s'appliquer dans un univers en expansion qui accélère, comme le nôtre. Parce que l'espace-temps est de plus en plus déchiré, une grande partie de l'univers lointain n'affectera pas du tout le trou noir, car cette énergie ne peut pas voyager plus vite que la vitesse de la lumière.
En réalité, l'énergie disponible pour tomber dans le trou noir n'est que celle contenue dans l'horizon observable :le volume de l'univers que le trou noir peut s'attendre à voir au cours de son existence. Pour nous, par exemple, l'horizon observable est plus grand que les 13,8 milliards d'années-lumière que nous pouvons voir dans le passé, parce qu'il inclut tout ce que nous verrons pour toujours dans le futur. L'expansion accélérée de l'univers nous empêchera de voir au-delà d'un horizon d'environ 46,5 milliards d'années-lumière.
Dans ce scénario, l'expansion de l'univers contrecarre l'amplification causée par la dilatation du temps à l'intérieur du trou noir, et pour certaines situations, l'annule entièrement. Dans ces cas - en particulier, lisse, trous noirs non tournants avec une grande charge électrique, les trous noirs dits de Reissner-Nordström-de Sitter - un observateur pourrait survivre en passant par l'horizon de Cauchy et dans un monde non déterministe.
"Il y a des solutions exactes des équations d'Einstein qui sont parfaitement lisses, sans nœuds, pas de forces de marée allant à l'infini, où tout se passe parfaitement bien jusqu'à cet horizon de Cauchy et au-delà, " il a dit, notant que le passage à l'horizon serait douloureux mais bref. "Après ça, tous les paris sont levés; dans certains cas, comme un trou noir de Reissner-Nordström-de Sitter, on peut éviter complètement la singularité centrale et vivre pour toujours dans un univers inconnu."
Certes, il a dit, il est peu probable que des trous noirs chargés existent, car ils attireraient la matière de charge opposée jusqu'à ce qu'ils deviennent neutres. Cependant, les solutions mathématiques pour les trous noirs chargés sont utilisées comme proxy pour ce qui se passerait à l'intérieur des trous noirs en rotation, qui sont probablement la norme. Hintz soutient que lisse, trous noirs en rotation, appelés trous noirs de Kerr-Newman-de Sitter, se comporterait de la même manière.
"C'est bouleversant, l'idée que vous puissiez partir avec une étoile chargée électriquement qui s'effondre en un trou noir, puis Alice voyage à l'intérieur de ce trou noir et si les paramètres du trou noir sont suffisamment extrêmes, il se pourrait qu'elle puisse juste traverser l'horizon de Cauchy, survit à cela et atteint une région de l'univers où, connaissant l'état initial complet de l'étoile, elle ne pourra pas dire ce qui va se passer, " Hintz a dit. " Il n'est plus uniquement déterminé par la pleine connaissance des conditions initiales. C'est pourquoi c'est très gênant."
Il a découvert ces types de trous noirs en faisant équipe avec Cardoso et ses collègues, qui a calculé comment un trou noir sonne lorsqu'il est frappé par des ondes gravitationnelles, et lequel de ses tons et harmoniques a duré le plus longtemps. Dans certains cas, même la fréquence survivante la plus longue a diminué assez rapidement pour empêcher l'amplification de transformer l'horizon de Cauchy en une zone morte.
L'article de Hintz a déjà suscité d'autres articles, dont l'un prétend montrer que la plupart des trous noirs bien comportés ne violeront pas le déterminisme. Mais Hintz insiste sur le fait qu'un cas de violation en est un de trop.
"Les gens étaient complaisants depuis une vingtaine d'années, depuis le milieu des années 90, qu'une forte censure cosmologique est toujours vérifiée, " at-il dit. " Nous contestons ce point de vue. "
