Le modèle théorique offre une nouvelle perspective sur la formation et l'évolution des trous noirs

Crédit :Husain et al

Les trous noirs sont des régions de l'espace caractérisées par des champs gravitationnels si intenses qu'aucune matière ou rayonnement ne peut s'en échapper. Ce sont des solutions aux équations de champ d'Einstein, avec un point de densité infinie non physique en leur centre.

Selon la théorie classique de la relativité générale, toute la matière qui a formé un trou noir finit par se retrouver en son centre. Cette prédiction spécifique est connue sous le nom de "problème de singularité".

Dans l'un de ses travaux fondateurs, Stephen Hawking a montré que les trous noirs rayonnent de l'énergie et qu'ils disparaissent lentement. Cependant, ses travaux suggèrent que le rayonnement émis par les trous noirs ne contient pas toutes les informations sur la matière qui a participé à sa formation. En astrophysique, on parle de "problème de perte d'informations".

Des chercheurs de l'Université du Nouveau-Brunswick au Canada ont récemment développé un modèle théorique qui résoudrait efficacement à la fois le problème de la singularité et le problème de la perte d'informations, tout en éclairant davantage la façon dont la matière s'effondre pour former des trous noirs. Le modèle qu'ils ont conçu, présenté dans un article publié dans Physical Review Letters , offre une autre perspective sur la formation et l'évolution des trous noirs que celle proposée par les théories classiques.

"La question du sort d'un trou noir et de ce qu'il advient de la matière (ou de l'information) qui l'a formé est un problème ouvert depuis cinquante ans", ont déclaré Viqar Husain Jarod George Kelly, Robert Santacruz et Edward Wilson-Ewing, les chercheurs. qui a réalisé l'étude, a déclaré à Phys.org, par e-mail. "Il est largement admis qu'une théorie de la gravité quantique est nécessaire pour résoudre ce problème. Nous en savons beaucoup sur la façon dont la matière qui s'effondre forme des trous noirs en relativité générale, mais la question de savoir comment l'effondrement se produit dans la gravité quantique est également un problème ouvert."

L'objectif clé des travaux récents de Husain et de ses collègues était d'introduire un modèle qui traite précisément le problème de la singularité et l'effondrement gravitationnel en même temps. Pour ce faire, ils ont utilisé une construction de gravitation quantique en boucle pour incorporer la discrétion fondamentale de l'espace dans les équations classiques qui décrivent l'effondrement gravitationnel.

"Nous avons étudié le problème en utilisant de la poussière simple qui n'exerce aucune pression car c'est le type de matière le plus simple; son mouvement est décrit par une équation gérable qui peut être résolue sur un ordinateur portable", a expliqué Husain. "Cette équation est une version modifiée des équations classiques d'Einstein, qui intègre la discrétion fondamentale de l'espace au niveau microscopique."

La méthode numérique que les chercheurs ont utilisée dans leur étude a été développée par Sergei K. Godunov, un scientifique russe renommé qui menait des recherches théoriques axées sur les problèmes d'écoulement des fluides. Notamment, cette méthode peut gérer la formation d'ondes de choc, le phénomène physique qui se produit lorsqu'un objet se déplace à des vitesses supersoniques et pousse sur l'air environnant (par exemple, lorsqu'un jet franchit le mur du son).

"Nous avons suivi l'évolution d'un nuage de particules de poussière qui s'effondrent jusqu'à ce qu'il forme un trou noir", ont déclaré Husain, Kelly, Santacruz et Wilson-Ewing. "La méthode numérique nous a permis de suivre l'évolution de la matière même à l'intérieur de la région du trou noir vers le point où se trouverait la singularité dans la solution classique."

L'équation corrigée par la gravité quantique introduite par Husain et ses collègues résout le problème de la singularité de manière plus dynamique que les modèles classiques. Plus précisément, cela suggère que la matière tombe au centre du trou noir, atteint une densité importante mais finie, puis rebondit en formant une onde de choc.

"Les effets de la gravité quantique sont importants au niveau de l'onde de choc et lui permettent de se déplacer vers l'extérieur à l'intérieur du trou noir, ce qui n'est pas possible avec les équations classiques", ont déclaré les chercheurs. "En même temps, la courbure de l'espace-temps s'agrandit, mais ne diverge jamais (comme c'est le cas dans la théorie classique)."

Grâce à l'outil numérique introduit par Godunov, les chercheurs ont également pu calculer la durée de vie d'un trou noir, de sa formation à sa disparition, lorsqu'une onde de choc émerge de son horizon et que les horizons commencent à disparaître. Fait intéressant, la durée de vie du trou noir qu'ils ont calculée est bien plus courte que le temps d'évaporation prédit par Hawking. Cela suggère que leur modèle pourrait aider à résoudre le problème de la perte d'informations, mais d'autres études devront être menées pour le confirmer.

De plus, l'équation esquissée par Husain et ses collègues introduit la production d'ondes de choc dans le développement des trous noirs. À l'avenir, cela pourrait ainsi inciter les astronomes à évaluer la possibilité de détecter les ondes de choc émanant des trous noirs.

"Si cela s'avère possible, nos résultats peuvent fournir une explication immédiate, mais cela nécessite également une exploration plus approfondie", ont ajouté les chercheurs. "Dans nos prochaines études, nous aimerions essayer d'établir si le problème de perte d'information est effectivement résolu, étudier d'autres types de matière qui exercent une pression, et d'autres types de nuages de matière, pour voir si notre résultat d'onde de choc reste qualitativement inchangé. Si cela s'avère être le cas, alors les ondes de choc pourraient être une signature universelle qui marque la mort d'un trou noir." + Explorer plus loin