Nos premiers aperçus de la physique qui existe près du centre d'un trou noir sont rendus possibles grâce à la "gravité quantique en boucle" - une théorie qui utilise la mécanique quantique pour étendre la physique gravitationnelle au-delà de la théorie de la relativité générale d'Einstein. Gravité quantique en boucle, originaire de Penn State et développé par la suite par un grand nombre de scientifiques du monde entier, ouvre un nouveau paradigme dans la physique moderne. La théorie a émergé comme un candidat de premier plan pour analyser les phénomènes cosmologiques et astrophysiques extrêmes dans certaines parties de l'univers, comme des trous noirs, où les équations de la relativité générale cessent d'être utiles.

Des travaux antérieurs sur la gravitation quantique à boucle qui ont eu une grande influence dans le domaine ont analysé la nature quantique du Big Bang, et maintenant, deux nouveaux articles d'Abhay Ashtekar et Javier Olmedo à Penn State et Parampreet Singh à la Louisiana State University étendent ces résultats aux intérieurs de trous noirs. Les articles apparaissent en tant que « suggestions de la rédaction » dans les revues Lettres d'examen physique et examen physique le 10 décembre, 2018 et ont également été soulignés dans un article de Viewpoint dans la revue La physique .

"La meilleure théorie de la gravité que nous ayons aujourd'hui est la relativité générale, mais il a des limites, " dit Ashtekar, Evan Pugh professeur de physique, titulaire de la Chaire Famille Eberly en Physique, et directeur du Penn State Institute for Gravitation and the Cosmos. "Par exemple, la relativité générale prédit qu'il y a des endroits dans l'univers où la gravité devient infinie et où l'espace-temps se termine tout simplement. Nous appelons ces lieux des « singularités ». Mais même Einstein a convenu que cette limitation de la relativité générale résulte du fait qu'elle ignore la mécanique quantique."

Au centre d'un trou noir, la gravité est si forte que, selon la relativité générale, l'espace-temps devient si extrêmement courbé que finalement la courbure devient infinie. Il en résulte que l'espace-temps a un bord irrégulier, au-delà duquel la physique n'existe plus, la singularité. Un autre exemple de singularité est le Big Bang. Demander ce qui s'est passé avant le Big Bang est une question dénuée de sens en relativité générale, parce que l'espace-temps se termine, et il n'y a pas d'avant. Mais les modifications apportées aux équations d'Einstein qui incorporaient la mécanique quantique via la gravitation quantique en boucle ont permis aux chercheurs d'étendre la physique au-delà du Big Bang et de faire de nouvelles prédictions. Les deux articles récents ont accompli la même chose pour la singularité du trou noir.

"La base de la gravitation quantique en boucle est la découverte d'Einstein que la géométrie de l'espace-temps n'est pas seulement une scène sur laquelle des événements cosmologiques sont joués, mais c'est lui-même une entité physique qui peut être pliée, " dit Ashtekar. " En tant qu'entité physique, la géométrie de l'espace-temps est composée de quelques unités fondamentales, tout comme la matière est composée d'atomes. Ces unités de géométrie, appelées « excitations quantiques », sont des ordres de grandeur plus petits que ce que nous pouvons détecter avec la technologie actuelle, mais nous avons des équations quantiques précises qui prédisent leur comportement, et l'un des meilleurs endroits pour rechercher leurs effets est au centre d'un trou noir." Selon la relativité générale, au centre d'un trou noir la gravité devient infinie donc tout ce qui entre, comprenant les informations nécessaires aux calculs physiques, est perdu. Cela conduit au célèbre « paradoxe de l'information » auquel les physiciens théoriciens sont confrontés depuis plus de 40 ans. Cependant, les corrections quantiques de la gravité quantique en boucle permettent une force répulsive qui peut submerger même la plus forte attraction de la gravité classique et donc la physique peut continuer à exister. Cela ouvre une voie pour montrer en détail qu'il n'y a pas de perte d'information au centre d'un trou noir, que les chercheurs poursuivent actuellement.

De façon intéressante, même si la gravitation quantique à boucles continue de fonctionner là où la relativité générale s'effondre :les singularités des trous noirs, le Big Bang - ses prédictions correspondent assez précisément à celles de la relativité générale dans des circonstances moins extrêmes loin de la singularité. "Il n'est pas trivial d'atteindre les deux, " dit Singh, professeur agrégé de physique à l'État de Louisiane. "En effet, un certain nombre de chercheurs ont exploré la nature quantique de la singularité du trou noir au cours de la dernière décennie, mais soit la singularité a prévalu, soit les mécanismes qui l'ont résolue ont déclenché des effets contre nature. Notre nouveau travail est libre de toutes ces limitations."