Milo
Les trous noirstrous noirs, les ondes gravitationnelles et les universunivers en expansion sont des solutions des équationséquations de la théorie relativiste de la gravitationgravitation d’EinsteinEinstein qui ont dérouté les chercheurs pendant quelque temps, certains voyant même dans les trous noirs des curiosités mathématiques de la théorie de la relativité généralerelativité générale n’ayant finalement aucune pertinence pour décrire le monde physiquephysique, soit parce qu’une extension de la théorie d’Einstein supprimerait les solutions de type trou noir, soit parce qu’une description plus réaliste de l’effondrementeffondrement gravitationnel des étoilesétoiles en fin de vie devait montrer que ces objets ne pouvaient pas se former.
En 2022, après les analyses des mesures de PlanckPlanck du rayonnement fossilerayonnement fossile du Big BangBig Bang, de celles des ondes gravitationnelles sur Terre avec LigoLigo et VirgoVirgo et finalement des images de M87* et Sgr A* par les membres de la collaboration Event Horizon Telescope, nous savons qu’il faut prendre très au sérieux les solutions des équations d’Einstein.
Il existe une famille de solutions qui font particulièrement rêver puisqu’il s’agit de celles décrivant des trous de ver, des ponts entre des régions de l’espace-tempsespace-temps dont certains seraient traversables et permettraient de se retrouver rapidement autour d’une exoplanèteexoplanète, voire dans un autre Univers et pourquoi pas dans un autre temps du cosmoscosmos observable.
Des quasars aux trous de ver
Ces idées sont anciennes et elles ont commencé à être explorées sérieusement au début des années 1960 pour rendre compte de l’existence des quasars. Certains chercheurs renommés, comme Igor Novikov et Yuval Ne’eman, ont même proposé que ces quasarsquasars soient en fait des trous blancs, encore appelés « fontaines blanches ».
C’est-à-dire qu’il s’agissait soit de régions de l’Univers dont l’expansion au moment du Big Bang avait été retardée (hypothèse des lagging core), soit justement de l’autre extrémité de trous de ver éjectant sans retour possible la matièrematière qu’ils avaient absorbée sous forme de trous noirs, également sans retour possible, dans une autre partie du cosmos voire dans un autre univers (techniquement, des trous blancs peuvent être vus comme des trous noirs avec un renversement du sens de l’écoulement du temps, et donc des objets dans lesquels rien ne peut entrer).
Roger Blandford nous parle des trous noirs supermassifs et de leurs jets dans cette vidéo. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Quanta Magazine
De fait, certains quasars sont clairement associés à des jets de matière. Toutefois, on pense généralement que derrière tous les quasars, se trouvent en fait des trous noirs supermassifs de Kerr en rotation et accrétant de la matière. En fait, ces trous noirs pouvant contenir d’un million à plusieurs milliards de massesmasses solaires seraient présents au cœur de toutes les galaxiesgalaxies ou presque.
Futura a déjà parlé dans les articles précédents ci-dessous et plus en détail de la possibilité que les quasars et les trous noirs supermassifs soient en fait des trous de ver. Il s’agissait aussi d’examiner les possibilités de le démontrer.
Une nouvelle voie pour atteindre ce but a été explorée récemment par la physicienne bulgare Petya Nedkova avec ses collègues de l’Université de Sofia, comme on peut le voir dans un article en accès libre sur arXiv.
On savait déjà que les autres solutions des équations d’Einstein peuvent dévier les rayons lumineux et affectent bien sûr aussi les mouvementsmouvements des gaz et des planètes autour d’eux. Des changements dans les phénomènes qui leur sont associés peuvent indiquer non seulement à quel type d’astreastre on est confronté, mais aussi révéler de possibles alternatives aux équations d’Einstein. De fait, les images des trous noirs M87* et Sgr A* ont permis de faire des tests en ce sens.
Les trous noirs sont enveloppés de plasma. Ce plasma contient des champs magnétiques qui affectent la façon dont la matière se déplace. Au fur et à mesure que le champ magnétique devient plus fort, il change de forme et avec lui la lumière polarisée que nous mesurons, comme l’explique cette animation. Les ondes lumineuses polarisées que nous observons indiquent que le trou noir M87* possède de forts champs magnétiques. Ces champs magnétiques exercent une puissante influence sur la façon dont les objets gravitent autour du trou noir et sur la formation de ses jets, qui est l’un des plus grands mystères de l’astrophysique moderne. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © ehtelescope
Des champs magnétiques sensibles à la courbure de l’espace-temps
Il se trouve que l’on peut espérer aussi voir des différences entre la polarisation de la lumièrelumière émise par le plasma chaud entourant ces trous noirs et celle qui serait produite par le même plasma mais entourant des trous de ver. Il se trouve aussi que des mesures de polarisation avec M87* ont bien été effectuées par les membres de l’EHT.
Dans l’article publié par les physiciensphysiciens bulgares, ceux-ci expliquent qu’ils ont étudié ce que donnerait un trou de ver traversable statique et sans rotation comme celui proposé par le prix Nobel de physique Kip Thorne pour voyager dans le temps. Le disque d’accrétiondisque d’accrétion autour d’un tel objet se comporte comme un fluide chargé et il génère des champs magnétiqueschamps magnétiques. Champs magnétiques dont la structure est affectée par celle de l’espace-temps courbe où ils se trouvent.
Comme ces champs magnétiques polarisent aussi la lumière des rayons lumineux permettant de former des images, la polarisation peut renseigner indirectement sur l’état de l’espace-temps courbe et donc aider à départager entre différentes théories.
Dans le cas présent, les astrophysiciensastrophysiciens relativistes ont montré que la polarisation des images produites par des rayons lumineux directement émis était presque indiscernable de celle d’un trou noir de Schwarzschild. Mais il en est tout autrement pour les images produites avec des rayons lumineux qui ont fait plusieurs fois le tour d’un trou noir de ce genre ou d’un trou de ver de Morris-Thorne, de sorte qu’il semble possible de savoir dans un futur proche et au moins pour certains trous noirs potentiels s’ils ne sont pas en fait des trous de ver.
Ce serait extraordinaire si nous découvrions finalement que celui de la Voie lactéeVoie lactée est bien un trou de ver se connectant à un univers parallèle.
Article initialement publié le 1er octobre 2020 par Laurent Sacco
Comme Futura l’expliquait dans les précédents articles ci-dessous, cela fait presque 60 ans que des chercheurs de renom spéculent sur l’existence des trous de ver en astrophysiqueastrophysique. Ces solutions des équations d’Einstein sont en fait des cousines de celles conduisant à la théorie des trous noirs. De sorte qu’il a été envisagé qu’au moins certains des objets que nous observons dans le cosmos aujourd’hui, et qui semblent se comporter comme des trous noirs, n’en sont pas. Pour le démontrer, il faudrait montrer que ces objets n’ont pas un horizon des événementshorizon des événements, par exemple en étudiant les ondes gravitationnelles qu’ils émettent lors de collisions et en y cherchant des modes quasi-normaux.
On sait en effet de ce point de vue que les trous noirs prédits par la théorie de la relativité générale peuvent vibrer en possédant un spectrespectre de vibrationsvibrations qui constitue une carte d’identité fiable comme le sont les raies d’émissions des atomesatomes d’un élément donné. Il est théoriquement possible de distinguer un trou noir décrit par les équations d’Einstein d’un trou noir décrit par une autre théorie relativiste de la gravitation (par exemple tenseur-scalaire pour reprendre le jargon des physiciens théoriciens) avec ce spectre qui précisément est la marque de modes quasi-normaux.
En outre, un objet compact, mais qui ne possède pas un horizon des événements, émettrait des ondes gravitationnelles différentes lors d’une collision. Un trou de ver ne possède pas un tel horizon et on peut donc imaginer tenter de détecter l’existence de ces objets grâce à l’astronomie gravitationnelle.
Certains scénarios cosmologiques faisant jouer un rôle important à des champs scalaires, peut-être en relation avec l’existence de l’énergie noire aujourd’hui ou d’une phase d’inflation dans l’univers primordial, permettent d’imaginer que des trous de ver sont apparus pendant le Big Bang. Les trous noirs supermassifs — dont on tente d’expliquer l’existence en les faisant croître à partir de « graines » qui seraient des trous noirs primordiaux nés de fluctuations de densité dans le contenu de l’univers à sa naissance — pourraient en fait être des trous de vers primordiaux.
Un séminaire de Katie Bouman sur l’image prise de M87*. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Caltech
La mécanique céleste, une fenêtre sur la physique des trous de ver
Les ondes gravitationnelles ne sont pas le seul moyen de tester la théorie des trous noirs et de révéler l’existence d’objets exotiquesexotiques qui pourraient prendre leur place. En fait, les membres de la collaboration Event Horizon Telescope ont cherché à savoir si M87* n’était pas en fait un trou de ver car l’image que l’on pouvait obtenir n’est pas la même selon que l’on est en présence d’un trou noir de type Kerr ou d’un objet ayant des caractéristiques de trou de ver. Il semble que, dans le cas de M87*, cette dernière possibilité soit peu probable comme l’expliquait Katie Bouman dans son séminaire à Caltech (voir en 45-49, la vidéo ci-dessus).
Aujourd’hui, deux chercheurs, Dejan Stojkovic, de l’université de Buffalo (USA), et De-Chang Dai de l’université Yangzhou, ont ébauché une autre méthode pour tenter de savoir si un trou noir n’est pas en fait un trou de ver. L’article à ce sujet, que l’on peut consulter en accès libre sur arXiv, a été publié dans le réputé journal Physical Review D.
L’idée de base est simple à comprendre. Si un trou noir supermassiftrou noir supermassif comme Sgr A* est en fait un trou de ver, il canalise le champ de gravitation des objets à l’une de ses entrées pour le faire sortir à l’autre. Cela doit se produire, que les deux extrémités du trou de ver soient dans notre Univers ou qu’elles connectent deux univers.
Il en résulterait que les mouvements des étoiles proches de Sgr A*, par exemple la célèbre S2, ne seraient pas exactement conformes à ce qui est attendu car le champ de gravitation ne serait pas celui d’un trou noir de Kerrtrou noir de Kerr mais la somme des champs produits par le trou de ver et par les astres proches de chaque côté du trou de ver.
Bien sûr, en découvrant des telles anomaliesanomalies de mouvements, la question se poserait de savoir à quel point il est possible d’en rendre compte à partir d’autres hypothèses, par exemple avec la présence d’une population de trous noirs stellairestrous noirs stellaires difficiles à détecter proche de Sgr A*, lesquels modifieraient sans aucun doute l’aspect de l’espace-temps autour de Sgr A*, espace-temps dont la métrique, comme disent les physiciens, ne serait plus exactement celle d’un trou noir de Kerr.
Il n’en reste pas moins que c’est une piste intéressante à creuser, tant la découverte de l’existence de trous de ver, potentiellement connectés à d’autres univers en plus — comme espérait pouvoir le montrer le défunt Nikolaï Kardachev avec RadioAstron — serait une révolution scientifique.
Cette simulation figure les orbites d’un petit groupe d’étoiles situées à proximité du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée. Au cours de l’année 2018, l’une de ces étoiles, baptisée S2, passa tout près du trou noir et fut l’objet d’une intense campagne d’observations au moyen des télescopes de l’ESO. Son comportement fut conforme aux prédictions de la théorie de la relativité générale d’Einstein – incompatible en revanche avec la théorie de la gravitation de Newton. © ESO/L. Calçada/spaceengine.org
Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 19/06/2018
Et si les trous noirs étaient en fait des trous de ver connectant différents univers entre eux ? Cette hypothèse, bien que peu crédible, est envisagée depuis des années, en particulier en ce qui concerne les trous noirs supermassifs au cœur des galaxies. Un phénomène d’écho dans les ondes gravitationnelles pourrait nous en dire plus.
De nombreuses observations astrophysiques laissent penser que certains objets se comportent bien en accord avec la théorie des trous noirs développée au cours de son âge d’or, c’est-à-dire, grosso modo, de 1963 à 1973, soit de la découverte de la métrique de Kerr pour les trous noirs en rotation à celle du rayonnement de Hawkingrayonnement de Hawking.
Des observations, en particulier, soutiennent l’existence d’un horizon des évènements pour certains des objets compacts prétendant au titre de trou noir. Or, c’est bel et bien l’existence de cet horizon qui définit mathématiquement et physiquement un trou noir et aucunement ce qui peut se trouver sous cet horizon, qu’il y ait ou pas une singularité de l’espace-temps.
Toutefois, la rigueur exige de démontrer l’existence de cet horizon par des observations, ce que peut aider à faire l’étude des ondes gravitationnelles résultant de la collision des objets que l’on considère jusqu’à preuve du contraire comme des trous noirs. Comme Thibault Damour et Sergey Solodukhin l’ont montré il y a plus de dix ans, il se trouve que plusieurs signatures de la physique des trous noirs en astrophysique pouvaient être imitées par la physique des trous de ver.
Cette découverte est venue donner, à l’époque, un peu plus de légitimité à des idées avancées et explorées depuis un moment déjà, à savoir que les trous noirs supermassifs au cœur des galaxies, et qui ont surtout été, dans le passé du cosmos observable, des quasars, sont en fait des trous de ver connectant d’autres univers ou des portions de notre univers.
Quasars : des trous noirs ou des trous de ver ?
Ainsi, dans le bestiaire des astres relativistes qui a commencé à être exploré sérieusement au début des années 1960 pour rendre compte de l’existence des quasars, certains chercheurs renommés, comme Igor Novikov et Yuval Ne’eman, ont même proposé que ces quasars soient en fait des trous blancs, encore appelés « fontaines blanches ».
C’est-à-dire qu’il s’agissait soit de régions de l’univers dont l’expansion au moment du Big Bang avait été retardée (hypothèse des lagging core), soit justement de l’autre extrémité de trous de ver éjectant sans retour possible la matière qu’ils avaient absorbée sous forme de trous noirs, également sans retour possible, dans une autre partie du cosmos voire dans un autre univers (techniquement, des trous blancs peuvent être vus comme des trous noirs avec un renversement du sens de l’écoulement du temps, et donc des objets dans lesquels rien ne peut rentrer).
Aujourd’hui, une équipe internationale de physiciens relativistes, dont Pablo Bueno, Pablo A. Cano et le célèbre Thomas Hertog, tous trois membres de l’université de Louvain (Belgique), avec deux autres collègues, ont fait savoir qu’ils avaient poussé les travaux de Damour et Solodukhin plusieurs crans plus loin, comme ils l’expliquent dans un article disponible sur arXiv. Comme on le laissait supposer un peu plus haut, c’est dans l’étude des ondes gravitationnelles pouvant produire ces objets que des caractéristiques différentes de celles des véritables trous noirs font leur apparition, fournissant un moyen de départager les deux théories, et cela potentiellement déjà avec les détecteurs Ligo et Virgo.
Lorsque deux trous noirs entrent en collision, ils fusionnent et l’objet produit est lui-même un trou noir dont l’horizon des évènements est bosselé, agité de violentes vibrations appelées « des modes quasi-normaux », à la façon d’une cloche frappée qui résonne. Ces modes produisent des ondes gravitationnelles qui emportent au loin l’agitation de l’horizon pour lui permettre de devenir celle décrite par la solution de Kerr des équations d’Einstein, c’est-à-dire la métrique définissant l’espace-temps d’un trou noir sans charge et de rotation arbitraire (il contient donc le cas particulier, sans rotation, de la solution de Schwarzschild).
Des ondes gravitationnelles « piégées » entre deux barrières
Damour et Solodukhin ont montré qu’un trou de ver de Schwarzschild pouvait malheureusement se faire passer pour un trou noir de Schwarzschild. Toutefois, aussi bien dans ce cas que pour sa généralisation à un trou de ver de Kerr en rotation, Hertog et ses collègues ont montré qu’un nouveau phénomène apparaissait, une sorte d’écho des ondes gravitationnelles émises par la fusionfusion de deux trous de ver. La détection de ce phénomène, qui produit des ondes avec un spectre bien précis, nous assurerait alors de l’existence de ces trous de ver, peut-être justement au cœur des galaxies comme la Voie lactée, ouvrant peut-être également une fenêtrefenêtre d’observation sur un multivers, comme Igor Novikov et ses collègues l’avaient proposé dans un article dont Futura avait parlé il y a une dizaine d’années (voir article ci-dessous).
Ce phénomène d’écho avait déjà été observé théoriquement dans plusieurs modèles d’objets exotiques sans horizon des évènements avancés comme des alternatives (généralement peu crédibles) aux trous noirs, telles que les gravastars et, surtout, depuis quelques années, les modèles introduisant une sorte de « firewall » pour résoudre un paradoxe concernant la théorie quantique de l’information avec les trous noirs.
En pratique, cela revient à considérer des objets avec une sorte de coquille impénétrable d’où partent des ondes gravitationnelles qui se réfléchissent en direction de cette coquille du fait de l’existence d’une sorte de barrière dans l’espace-temps autour de cette dernière (techniquement, pour un trou noir, une barrière de potentiel produite notamment par sa rotation) et qui se comporte comme une lame semi-transparente en optique (une partie de l’onde tombant sur la lame est transmise, l’autre est réfléchie).
Une partie des ondes gravitationnelles rebondissant plusieurs fois entre la coquille et la barrière effective avant de s’échapper, cela donne bien un phénomène qui serait perçu comme l’équivalent d’un écho sonore. Des tentatives ont déjà été faites pour chercher des signatures de ce phénomène dans les données de Ligo et Virgo, sans succès jusqu’à présent. Mais nous n’en sommes qu’au tout début de l’astrophysique gravitationnelle.
Article de Laurent Sacco publié le 31/10/2006
La science-fiction en a rêvé et l’Univers l’a peut-être fait ! Cette théorie, suffisamment folle pour être vraie selon les mots de Niels BohrNiels Bohr, vient d’être proposée par Igor Novikov et ses collègues N.S Kardashev, célèbre pour ses travaux en radioastronomie et A.A Shatskiy.
D’abord qui est Igor Novikov ? Il s’agit d’un des meilleurs experts de l’astrophysique relativiste et l’ancien collaborateur principal de Zel’dovich, peut-être le plus grand cosmologiste du XXe siècle.
Maintenant que propose-t-il dans ce preprint récent sur ArxivArxiv avec son célèbre collègue Nikolaï Kardachev ?
En premier lieu, que des trous de ver traversables pourraient exister, avec cette fois-ci une quantité arbitrairement faible d’énergie exotique négative, s’ils possédaient une charge magnétique et donc un champ magnétique radial. En soi, c’est déjà un résultat assez spectaculaire qu’une telle solution des équations d’Einstein existe effectivement mais là où ça devient intéressant, c’est que dans le cadre des modèles inflationnaires, et notamment ceux d’inflation chaotique à la Linde, ils pourraient être produits en grandes quantités dans l’Univers primordial et exister de façon stable pendant une grande duréedurée !
De tels trous de ver magnétiques, susceptibles de s’effondrer en formant des trous noirs, pourraient ainsi constituer une partie des objets astrophysiques autour de nous. Les auteurs de l’article proposent donc que certains noyaux actifs de galaxies (AGNAGN) seraient en fait précisément des fossiles de l’époque où ces trous de ver étaient créés dans les premiers instants de l’Univers, en liaison probable avec des fluctuations du champ scalaire responsable de l’inflation ou à cause de processus de gravitation quantiquegravitation quantique.
Dans le cadre de l’inflation chaotique, non seulement il existerait des trous de ver connectant différentes régions dans notre Univers mais aussi entre les autres régions du Multivers. Cela permettrait, comme le souligne les auteurs, d’avoir des données observationnelles sur ces autres Univers hypothétiques et peut-être même de tester scientifiquement des théories comme celles du Landscape dans le cadre de la théorie des cordesthéorie des cordes. En effet, il y aurait une signature spécifique dans les jets relativistes associés aux noyaux actifs de galaxies (AGN) si ceux-ci sont dans certains cas des portesportes sur d’autres régions du Multivers, ou simplement du nôtre.
Mieux, Novikov et ses collègues parlent même d’un candidat AGN déjà observé pouvant peut-être prétendre au titre de trou de ver magnétique, Il s’agit du quasar QO9576-561 !
Plus que jamais le XXIe siècle s’annonce comme une période potentiellement extraordinaire pour notre connaissance de l’Univers.
