Certains trous noirs effacent le passé et ouvrent un nombre infini de futurs possibles

Cet article a été traduit par Motherboard France.

Imaginez un instant que l'humanité maîtrise le voyage interstellaire et peut se rendre n'importe où dans l'univers en un temps record. Nous serions sans doute subjugués devant le nombre colossal de mondes à visiter et de phénomènes astrophysiques à éclaircir. Mais parmi tous les objets célestes qui méritent notre attention, les trous noirs sortiraient probablement du lot. Sur le principe, on peine à imaginer qui voudrait visiter une sorte de gigantesque piège cosmique obscur avalant sans ménagement toute forme de matière organisée. Pourtant les trous noirs nous fascinent plus que jamais, sans doute parce que les physiciens débattent depuis plusieurs décennies de ce qui arriverait à l'humain intrépide qui aurait la folie de plonger dans leur bouche béante.

Certes, la plupart des physiciens estiment qu'un voyageur de l'extrême serait transformé en spaghetti avant même d'atteindre le trou noir – car des forces gravitationnelles colossales aurait étiré son corps frêle en une longue chaîne d'atomes minimaliste. Une étude récente suggère pourtant que certains trous noirs pourraient en théorie être accessibles à un observateur avec des conséquences pour le moins étranges.

Publié dans Physical Review Letters, l'article explique qu'un observateur qui pénétrerait dans certains types de trous noirs ne serait pas nécessairement annihilé sur le champ – ou du moins, pas de la manière dont on l'imagine. Selon les auteurs du papier, son passé serait détruit et un nombre infini de futurs s'ouvrirait devant lui. Évidemment, il ne pourrait jamais sortir du trou noir afin de raconter son histoire, ce qui n'a guère d'importance : personne n'attendrait son retour.

Pour comprendre tous les enjeux ici, il faut rappeler quelques principes physiques. Commençons avec Albert Einstein, qui, entre autres choses, a bouleversé la manière dont nous nous représentons le temps et l'espace lorsqu'il a publié sa théorie de la relativité générale il y a environ un siècle. Cette théorie décrit la gravitation comme une propriété de l'espace-temps, cet échafaudage en quatre dimensions qui structure notre univers. Plus précisément, elle décrit la courbure de l'espace-temps comme étant fonction de la masse, de l'énergie et du mouvement de la matière. Or, cette courbure de l'espace-temps, initiée par des objets en mouvement, se matérialise par la force de gravitation.

L'un des phénomènes prédits par la théorie générale est l'existence de singularités spatio-temporelles dans les trous noirs, ces objets célestes si denses que rien ne peut échapper à leurs effets gravitationnels, pas même à la lumière. On pourrait décrire le trou noir comme une sorte d'entonnoir dont le bec se rétrécit jusqu'à un point de densité infinie, appelé singularité.

La structure de ces singularités est sujette à de nombreux débats entre physiciens. Nous ne pouvons pas les voir parce que l'horizon des événements du trou noir agit comme une barrière entre ces densités infinies et le reste de l'univers. C'est une bonne chose, car si nous pouvions voir les singularités au cœur du trou noir – sous forme de ce que l'on appelle les singularités "nues" – cela détruirait le principe de causalité qui anime les phénomènes physiques. Ce qui serait très ennuyeux.

La raison pour laquelle la physique nous permet de prédire des choses dans la nature est que l'univers est fondamentalement déterministe. Cela signifie que, si nous connaissions les conditions initiales dans lesquelles l'univers est né, nous pourrions, en théorie, prédire son évolution et l'ensemble des phénomènes qui l'animent – dont l'ensemble des pensées et actions humaines – pour peu que l'on souscrive à l'hypothèse selon laquelle la conscience est entièrement déterminée par les interactions physiques entre les neurones. Dans un univers déterministe, le passé détermine un seul futur possible.

C'est là que les physiciens se heurtent à un problème : les singularités doivent exister en tant que conséquences de la théorie de la relativité générale, alors même qu'elles demeurent inobservables. Pour s'affranchir de cette difficulté, ils s'appuient sur deux conjectures liées, mais logiquement distinctes, toutes deux formulées par le mathématicien et physicien Roger Penrose : les hypothèses de censure cosmique forte et faible.

L'hypothèse de censure cosmique forte stipule qu'il existe une frontière à l'intérieur de l'horizon des événements des trous noirs, connue sous le nom d'horizon de Cauchy, qui limite les applications de la théorie de la relativité générale. Au-delà de l'horizon de Cauchy, le monde physique déterministe se décomposerait en phénomènes non-déterministes. En conséquence, il serait impossible pour un observateur de passer l'horizon de Cauchy sans être détruit.

D'autre part, l'hypothèse de censure cosmique faible suggère que les singularités nues n'existent pas dans l'univers, mis à part le Big Bang. Aujourd'hui, l'hypothèse de censure cosmique faible de Penrose est considérée par la majorité des physiciens comme une condition nécessaire de l'existence de l'univers, bien que sa validité n'ait jamais été établie.

L'hypothèse de censure cosmique forte est beaucoup plus controversée, et la nouvelle étude publiée dans Physical Review Letters en propose une réfutation très convaincante.

L'article de Peter Hintz, chercheur post-doctoral à l'Université de Berkeley et de ses collègues suggère qu'il existerait des types de trous noirs permettant à un observateur d'accéder à un univers non déterministe, au-delà de l'horizon de Cauchy.

Au cours du siècle dernier, la théorie de la relativité générale d'Einstein a été validée par tous les tests expérimentaux visant à en éprouver les limites. Le plus spectaculaire a sans doute été réalisé en 2016, lorsque les physiciens du Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ont, pour la première fois, réussi à mesurer les ondes gravitationnelles issues de la collision de deux trous noirs, selon les prédictions exactes de la théorie d'Einstein. Pourtant la puissance descriptive de la théorie de la relativité générale s'arrête au seuil des singularités, là où la courbure de l'espace-temps devient infinie.

Imaginons à nouveau que nous sommes des explorateurs de l'espace et que nous approchons du fameux trou noir théorique décrit par Hintz et ses collègues : un trou noir non rotatif possédant une charge électrique, plus connu sous le nom de trou noir de Reissner-Nordström. Selon la théorie générale, plus nous approchons de ce trou noir, plus le temps ralentit, en raison de la force croissante du champ gravitationnel. Nous tombons ensuite dans le trou noir, en même temps que la lumière et toute autre forme de matière, avant d'atteindre l'horizon de Cauchy.

L'horizon de Cauchy peut être considéré comme la barrière entre l'univers déterministe et non déterministe. Un observateur en franchissant le seuil verrait, en conséquence, toute l'énergie que le trou noir rencontrera au cours de l'existence de l'univers frapper l'horizon de Cauchy. C'est pour cette raison que l'hypothèse forte de la censure cosmique affirme qu'il est impossible à un observateur de franchir l'horizon de Cauchy – il serait anéanti par cette quantité d'énergie colossale.

Pourtant, Hintz et ses collègues ont réalisé que ce scénario n'était sans doute pas valable, dans la mesure où l'univers est en expansion accélérée : pendant que l'espace-temps se condense en un point infini dans un trou noir, il est également étiré par l'expansion de l'univers. On peut donc imaginer que toute l'énergie de l'univers ne frappe pas l'horizon de Cauchy en même temps, mais qu'une portion relativement faible de l'énergie dans l'univers parvient au trou noir – parce que cette énergie ne peut pas voyager depuis les coins les plus reculés de l'univers jusqu'au trou noir plus vite que la vitesse de la lumière.

Comme l'ont expliqué Hintz et ses collègues, la quantité d'énergie qui tomberait dans le trou noir correspondrait uniquement à la quantité d'énergie contenue dans l'horizon observable du point de vue du trou noir. Cet horizon observable serait donc "plus petit" que l'univers entier parce que l'univers est en expansion accélérée.

Pour mieux comprendre ce phénomène, revenons à notre point de vue d'observateurs terrestres. Bien que nous puissions observer des objets qui nous ont précédés de 13,8 milliards d'années, notre horizon observable est en réalité de l'ordre de 46 milliards d'années-lumière, car il inclut tout ce que nous observerons dans le futur. Nous ne pourrons jamais voir au-delà de cet horizon parce que l'expansion de l'univers est plus rapide que la vitesse de la lumière, et que la lumière provenant des objets situés au-delà de cet horizon cosmologique ne nous atteindra jamais. De même, les objets situés "au bord" de cet horizon finiront par disparaître.

Il en va de même pour le trou noir théorique de Reissner-Nordström dans lequel nous nous trouvons (en pensée, du moins). Sous certaines conditions, l'expansion accélérée de l'univers "annule" la dilatation du temps subie en tombant dans le trou noir. Cela permettrait en théorie à un observateur de traverser l'horizon de Cauchy et d'exister dans un monde non-déterministe où son passé serait détruit, et où un nombre infini de futurs possibles s'ouvrirait devant lui.

« Il existe des solutions exactes aux équations d'Einstein, des solutions parfaitement lisses, sans nœuds, sans forces de marée allant à l'infini, où tout se déroule de manière parfaitement normale jusqu'à l'horizon de Cauchy et au-delà », a déclaré Hintz. « Après cela, on ne sait plus ; dans certains cas, on pourrait peut-être éviter complètement la singularité centrale et vivre pour toujours dans un univers inconnu. »

Ce scénario est théorique, bien évidemment. Hintz et ses collègues ne suggèrent pas d'envoyer un physicien dans un trou noir pour voir ce que ça fait. En fait, explique Hintz, les trous noirs théoriques décrits dans l'article n'existent peut-être pas, dans la mesure où ils attireraient de la matière chargée négativement et pourraient devenir électriquement neutres. Dans tous les cas, le modèle mathématique mis au point par les chercheurs est utile pour étudier les trous noirs rotatifs, qui sont probablement le type de trou noir le plus courant dans l'univers, selon Hintz.

« Aucun physicien ne va aller fouiner dans un trou noir pour mesurer des trucs », plaisante Hintz. « On ne peut vraiment étudier cette question que par le biais des mathématiques, même si elle a des implications physiques et philosophiques. Cela rend les équations d'Einstein d'autant plus intéressantes. »