Le comportement surprenant des trous noirs dans un univers en expansion

Un physicien étudiant les trous noirs a découvert que, dans un univers en expansion, les équations d’Einstein exigent que le taux d’expansion de l’univers à l’horizon des événements de chaque trou noir soit une constante, la même pour tous les trous noirs. À son tour, cela signifie que la seule énergie à l’horizon des événements est l’énergie sombre, ce qu’on appelle la constante cosmologique. L’étude est publiée sur le arXiv serveur de préimpression.

“Sinon”, a déclaré Nikodem Popławski, maître de conférences à l’Université de New Haven, “la pression de la matière et la courbure de l’espace-temps devraient être infinies à un horizon, mais ce n’est pas physique.”

Les trous noirs sont un sujet fascinant car ils concernent les choses les plus simples de l’univers : leurs seules propriétés sont la masse, la charge électrique et le moment cinétique (spin). Pourtant, leur simplicité donne naissance à une propriété fantastique : ils ont un horizon des événements situé à une distance critique du trou noir, une surface non physique autour de lui, sphérique dans les cas les plus simples. Tout ce qui est plus proche du trou noir, c’est-à-dire à l’intérieur de l’horizon des événements, ne peut jamais échapper au trou noir.

Les trous noirs ont été prédits en 1916 par Karl Schwarzschild alors qu’il servait comme soldat allemand sur le front russe, alors qu’il souffrait d’une douloureuse maladie cutanée auto-immune, le pemphigus.

En utilisant les équations de la relativité générale d’Einstein, il a supposé un objet massif, non rotatif et parfaitement rond dans un univers autrement vide et immuable et a découvert l’horizon des événements. Le rayon de l’horizon des événements est proportionnel à la masse d’un trou noir. À l’horizon, même la lumière, l’objet le plus rapide de l’univers, ne peut s’échapper du trou.

Schwarzschild a également découvert une singularité apparente au centre du trou noir, un lieu d’une densité infinie où les lois de la gravité d’Einstein semblent s’effondrer.

Les astronomes ont depuis découvert que la plupart des galaxies semblent avoir un trou noir supermassif en leur centre ; pour la Voie lactée, il s’agit du Sagittaire A*, avec une masse plus de quatre millions de fois celle du soleil. Un trou noir n’a été directement photographié qu’en 2019, une tache noire entourée d’un halo de lumière, située au centre de la galaxie Messier 87, à 55 millions d’années-lumière de la Terre.

Popławski a dépassé l’hypothèse de Schwarzschild en supposant un objet massif à symétrie centrale dans un univers en expansion. Dans ce cas, la solution aux équations d’Einstein concernant la structure de l’espace-temps autour de la masse a été obtenue pour la première fois en 1933 par le mathématicien et cosmologiste britannique George McVittie.

McVittie a découvert que près de la masse, l’espace-temps est comme celui de Schwarzschild, avec un horizon d’événements, mais que loin de la masse, l’univers s’étend comme notre univers aujourd’hui. Le paramètre de Hubble, également appelé constante de Hubble, précise le taux d’expansion de l’univers.

Popławski a utilisé la solution de McVittie pour découvrir que le taux d’expansion de l’espace à l’horizon des événements doit être une constante, liée uniquement à la constante cosmologique (qui peut être interprétée comme la densité d’énergie du vide de l’espace-temps). Aujourd’hui, nous connaissons cela sous le nom de densité de l’énergie noire. Autrement dit, la seule énergie à l’horizon est l’énergie sombre. La conséquence, dit-il, est que différentes parties de l’univers se développent à des rythmes différents.

En fait, quelque chose de similaire a été constaté avec la « tension de Hubble », une différence statistiquement significative entre deux valeurs différentes mesurées du paramètre de Hubble, selon que l’on utilise des mesures de « l’univers tardif » ou des techniques de « l’univers primitif » basées sur des mesures du fond diffus cosmologique. Dans son travail, Popławski a déclaré que cette différence « est une conséquence naturelle d’une analyse correcte de l’espace-temps d’un trou noir dans un univers en expansion dans le cadre de la théorie générale de la relativité d’Einstein ».

De plus, ses équations montrent que l’une des conséquences de l’expansion de l’univers à des rythmes différents est que la constante cosmologique – et donc la valeur de l’énergie noire – doit être positive. Autrement, sans cette constante, dit Popławski, « un univers fermé serait oscillatoire et ne pourrait pas créer de vides cosmiques ».

“C’est l’explication la plus simple de l’accélération actuelle observée dans l’univers.”

Pour une étoile, disons, l’univers est également en expansion à sa limite de surface, mais le corps ne se dilate pas car il est lié gravitationnellement et électromagnétiquement.

Un horizon d’événements, cependant, est une chose mathématiquement abstraite, qui n’est pas constituée de matière ou d’énergie mais simplement de points de l’espace, donc un taux d’expansion constant de l’espace n’est pas surprenant. L’horizon des événements lui-même (et donc un trou noir) ne s’étend pas ; des points de l’espace en dehors de l’horizon s’en éloignent.

Les vrais trous noirs tournent, mais si la rotation est généralement lente, les conclusions de Popławski devraient également s’appliquer à eux avec une bonne approximation. Mais mesurer le paramètre Hubble à un horizon d’événements est actuellement impossible, à moins que de nouvelles techniques ne soient développées.

Un observateur à l’horizon des événements pourrait en principe y mesurer le paramètre de Hubble, mais serait à jamais incapable de communiquer sa valeur au reste de l’univers alors qu’il dépasse l’horizon des événements, et aucune information ne peut éventuellement être renvoyée à travers celui-ci.

Cela rejoint, a déclaré Popławski, une hypothèse qu’il a publiée en 2010 : que chaque trou noir est en fait un trou de ver (un pont Einstein-Rosen) vers un nouvel univers de l’autre côté de son horizon des événements.

“L’horizon des événements est une porte d’entrée d’un univers à un autre”, a-t-il déclaré. “Cette porte ne s’agrandit pas avec l’expansion de l’univers… Si cela se produit pour l’horizon des événements du trou noir formant un univers, cela devrait également fonctionner pour les horizons des événements des autres trous noirs de cet univers.”

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