Les trous noirs sont des objets astronomiques intrigants qui ont une attraction gravitationnelle si forte qu’elle empêche tout objet et même la lumière de s’échapper. Bien que les trous noirs aient fait l'objet de nombreuses études astrophysiques, leurs origines et la physique sous-jacente restent en grande partie un mystère.
Des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie et du Centro Atómico Bariloche ont récemment introduit un nouveau modèle de microétats de trous noirs concernant l'origine de l'entropie (c'est-à-dire le degré de désordre) dans les trous noirs.
Ce modèle, présenté dans un article publié dans Physical Review Letters , fournit une perspective alternative sur les trous noirs qui pourrait éclairer les futures recherches en astrophysique.
"La formule d'entropie de Bekenstein-Hawking, qui décrit la thermodynamique des trous noirs, a été découverte dans les années 1970", a déclaré Vijay Balasubramanian, co-auteur de l'article, à Phys.org. "Cette formule suggère que les trous noirs ont une entropie proportionnelle à la superficie de leurs horizons.
"Selon la physique statistique, telle que développée par Boltzmann et Gibbs à la fin du 19e siècle, l'entropie d'un système est liée au nombre de configurations microscopiques ayant la même description macroscopique.
"Dans un monde de mécanique quantique comme le nôtre, l'entropie résulte des superpositions quantiques de "microétats", c'est-à-dire de constituants microscopiques qui produisent les mêmes traits observables à grande échelle."
Les physiciens tentent depuis des décennies de fournir une explication crédible de l’entropie des trous noirs. Dans les années 1990, Andrew Strominger et Cumrun Vafa ont exploité une propriété hypothétique connue sous le nom de « supersymétrie » pour concevoir une méthode permettant de compter les microétats d'une classe spéciale de trous noirs pour lesquels la masse est égale à la charge électromagnétique, dans des univers aux dimensions supplémentaires et aux multiples types de trous noirs. champs électriques et magnétiques.
Pour expliquer l'origine de l'entropie des trous noirs dans des univers comme le nôtre, Balasubramanian et ses collègues ont dû créer un nouveau cadre théorique.
"Malgré les tentatives précédentes, il n'y a jusqu'à présent aucune étude s'appliquant aux types de trous noirs qui se forment à la suite de l'effondrement d'étoiles dans notre monde", a déclaré Balasubramanian. "Notre objectif était de fournir un tel compte."
La principale contribution de ces travaux récents a été d'introduire le nouveau modèle de microétats de trous noirs, qui peut être décrit en termes d'effondrement de coquilles de poussière à l'intérieur du trou noir. De plus, les chercheurs ont mis au point une technique pour compter les manières de superposer ces microétats de manière mécanique quantique.
"L'idée clé de notre travail est que des géométries spatio-temporelles très différentes correspondant à des microétats apparemment distincts peuvent se mélanger les unes aux autres en raison des effets subtils des "trous de ver" de la mécanique quantique qui relient des régions distantes de l'espace", a déclaré Balasubramanian.
"Après avoir pris en compte les effets de ces trous de ver, nos résultats ont montré que pour tout univers contenant de la gravité et de la matière, l'entropie d'un trou noir est directement proportionnelle à la superficie de son horizon des événements, comme l'ont proposé Bekenstein et Hawking."
Les travaux récents de Balasubramanian et de ses collègues introduisent une nouvelle façon de penser les microétats des trous noirs. Leur modèle les décrit spécifiquement comme des superpositions quantiques d'objets simples bien décrites par les théories physiques classiques de la matière et de la géométrie de l'espace-temps.
"C'est très surprenant, car la communauté s'attendait à ce qu'une explication microscopique de l'entropie des trous noirs nécessiterait tout l'appareil d'une théorie quantique de la gravité, telle que la théorie des cordes", a déclaré Balasubramanian.
"Nous montrons également que des univers qui diffèrent les uns des autres à des échelles macroscopiques, voire cosmiques, peuvent parfois être compris comme des superpositions quantiques d'autres univers macroscopiquement différents. Il s'agit d'une manifestation de la mécanique quantique à l'échelle de l'univers entier, ce qui est surprenant. étant donné que nous associons généralement la mécanique quantique aux phénomènes à petite échelle. "
Le cadre théorique nouvellement introduit pourrait ouvrir la voie à d’autres travaux théoriques visant à expliquer la thermodynamique des trous noirs. Pendant ce temps, les chercheurs prévoient d'élargir et d'enrichir leur description des microétats des trous noirs.
"Nous étudions maintenant dans quelle mesure et dans quelles circonstances un observateur extérieur à l'horizon des événements peut déterminer dans quel microétat se trouve un trou noir", a ajouté Balasubramanian.
