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Fin des trous noirs selon Hawking : l'avis de Jean-Pierre Luminet

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Voilà quelques semaines, Stephen Hawking faisait à nouveau parler de lui en remettant en cause ses travaux sur la théorie des trous noirs, laissant ses collègues perplexes, et pas seulement eux. Futura-Sciences a demandé à Jean-Pierre Luminet, l'un des experts français des trous noirs du point de vue de l'astrophysique et de la physique théorique, ce qu'il fallait penser des déclarations de Hawking. Faut-il vraiment remettre en cause l'existence des trous noirs ?

Le champ de gravitation d'un trou noir stellaire entouré d'un disque d'accrétion chaud et lumineux déforme fortement l'image de ce disque. On peut s'en rendre compte avec cette image, extraite d'une simulation de ce que verrait un observateur s'approchant de l'astre compact selon une direction légèrement inclinée au-dessus du disque d'accrétion. La partie du disque située derrière le trou noir semble tordue à 90° et devient visible. Jean-Pierre Luminet a fait la première simulation de ces images en 1979, comme il l'explique dans une vidéo au début de cet article. © Jean-Pierre Luminet, Jean-Alain Marck

Dans son livre Trous noirs et distorsions du temps, publié au début des années 1990, le célèbre astrophysicien relativiste Kip Thorne faisait part de certaines de ses réflexions au sujet de que l'on pourrait appeler le « style » de Stephen Hawking en physique. De plus en plus incapable de faire des calculs sur le papier, éprouvant des difficultés grandissantes à communiquer alors que sa maladie progressait à la fin des années 1960 et pendant les années 1970, Hawking avait entraîné son intuition et son esprit à penser en termes de diagrammes géométriques et à faire des calculs de tête. Les autres chercheurs n'avaient pas à se soumettre à une telle discipline. Le Britannique se devait aussi de condenser une pensée cristalline en peu de mots. Graduellement, craignant de ne plus avoir beaucoup de temps devant lui, il préféra, pour progresser rapidement, lancer de brillantes idées sans prendre soin de leur donner une justification rigoureuse, comme il avait l'habitude de le faire encore jusqu'à la fin des années 1970, les démonstrations étant probablement laissées à d'autres.

Il en a résulté que depuis quelques décennies, il apparaît parfois pour ses collègues un peu comme l'oracle de Delphes. Quand Stephen Hawking se prononce sur une question profonde, les autres ne discernent pas toujours, sans y avoir réfléchi eux-mêmes avec leur propre style de pensée pendant un certain temps, si Hawking livre de simples spéculations ou s'il a lui-même déjà constitué une série d'arguments convaincants à l'appui de ses idées. Thorne ajoute d'ailleurs que ses collègues et lui se sont parfois posé la question de savoir si Hawking ne s'amusait pas un peu avec eux, profitant de son exceptionnelle intuition. Peut-être faut-il avoir toutes ces considérations à l'esprit lorsqu'on cherche à comprendre le contenu et la signification de ses dernières déclarations au sujet des trous noirs.

Jean-Pierre Luminet s'est intéressé dès les années 1970 à la théorie des trous noirs. Il nous explique pourquoi. © Du Big Bang au vivant, YouTube

Les déclarations de Stephen Hawking et des chercheurs dubitatifs

Il faut bien avouer qu'elles laissent les chercheurs perplexes et dubitatifs, car le court papier que Stephen Hawking a déposé sur arxiv ne contient aucune équation, juste des arguments généraux qui paraissent assez flous. Que faut-il donc penser des paroles du chercheur lorsqu'il suggère que les trous noirs n'existent pas vraiment, que seuls existent des horizons apparents et qu'il n'est pas nécessaire d'introduire des « firewalls » (ou pare-feux) au niveau de l'horizon des trous noirs pour résoudre le paradoxe de l'information ?

Pour tenter d'y voir un peu plus clair, Futura-Sciences a demandé à l'un des grands spécialistes français de la théorie des trous noirs, qui connaît personnellement Hawking, ce que lui inspiraient ses déclarations récentes. Il s'agit bien sûr de Jean-Pierre Luminet, qui possède désormais un blog.

À l'origine avec Hubert Reeves du projet multiplateforme « Du Big Bang au vivant » traitant pour un large public des avancées de la cosmologie, de l'astrophysique et de l'exobiologie, Jean-Pierre Luminet a aussi écrit une somme impressionnante, mais très accessible, sur la physique et l'astrophysique des trous noirs : Le destin de l’univers.

Les trous noirs stellaires et celui au centre de la Voie lactée nous menacent-ils ? Jean-Pierre Luminet nous répond. © Du Big Bang au vivant, YouTube

Futura-Sciences : Stephen Hawking propose de remettre en cause la notion d’horizon des événements, sur laquelle repose la notion de trou noir. Mais n’existe-t-il pas des preuves de l’existence de cet horizon, avec les objets que l’on interprète comme d’authentiques trous noirs en astrophysique ?

Jean-Pierre Luminet : Paradoxalement, si l'on prend au sérieux jusqu'au bout la théorie mathématique des trous noirs, une telle preuve n'existe pas et ne peut pas être donnée. Le statut de l'horizon des événements n'est pas sans rappeler celui du zéro absolu qui, par définition, est inatteignable en pratique, puisqu'il faudrait pouvoir complètement stopper tous les mouvements des particules formant un système physique. La relativité générale nous apprend que lorsqu'une étoile s'effondre pour former un trou noir, il arrive un moment où le temps semble ralentir de plus en plus pour un observateur extérieur étudiant le phénomène. Il en va de même pour les mouvements d'un astronaute en chute libre en direction de l'horizon des événements d'un trou noir. L'étoile semble devoir se figer pour l'éternité avant de pénétrer dans la région dont la taille est donnée par le fameux rayon de Schwarzschild. Qui plus est, le champ de gravitation provoque un décalage vers le rouge de plus en plus prononcé, et la luminosité de l'étoile diminue jusqu'à ce qu'elle devienne invisible. En pratique, toujours pour un observateur extérieur et il ne faut pas l'oublier, il faudrait attendre un temps infiniment long pour observer la formation de l'horizon des événements ou voir un objet en chute libre vers cet horizon l'atteindre. Ce n'est pas le cas pour un observateur tombant sur le trou noir qui, de son point de vue, franchit l'horizon des événements en un temps fini et qui peut être très court.

Nous pensons que les objets que nous appelons des trous noirs en sont réellement essentiellement parce que les explications les plus cohérentes et les plus plausibles pour rendre compte tout à la fois de leurs masses et des caractéristiques des rayonnements qu'ils émettent, en particulier dans le domaine des rayons X, sont celles provenant de la théorie des trous noirs. Nous n'avons pas non plus de réelles raisons de penser qu'il existe des mécanismes plausibles qui seraient en mesure de stopper l'effondrement et l'apparition d'un horizon des événements pour une étoile suffisamment massive en fin de vie.

Jean-Pierre Luminet nous explique que des collisions entre trous noirs géants doivent se produire dans l'univers. La croissance inéluctable de la taille des horizons fait penser à la croissance de l'entropie en thermodynamique. Comme Hawking et Bekenstein l'ont montré, ce n'est pas un hasard. © Du Big Bang au vivant, YouTube

Pourtant, l’astronomie gravitationnelle est souvent présentée comme une voie pouvant permettre de tester en profondeur la théorie des trous noirs et l’existence d’un horizon des événements.

Jean-Pierre Luminet : Ce n'est pas aussi simple. Prenons tout de même le cas de deux trous noirs tournant l'un autour de l'autre. Ils doivent perdre de l'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles. Nous savons que c'est bien le cas avec des pulsars binaires. Ils vont donc se rapprocher l'un de l'autre et finir par entrer en collision, ce qui va conduire à une forte émission d'ondes gravitationnelles, surtout s'il s'agit de deux trous noirs supermassifs. Lors de la coalescence de ces deux trous noirs, l'horizon résultant sera très déformé, et il va se mettre à vibrer en émettant des ondes gravitationnelles avant de se stabiliser pour donner un trou noir décrit par la métrique de Kerr. C'est en tout cas ce que prédisent les équations de la relativité générale.

Le spectre des ondes gravitationnelles produit par tous ces phénomènes devrait effectivement nous permettre de sonder des régions de l'espace-temps très proches de l'horizon des trous noirs. Les simulations numériques sur ordinateurs ont permis de connaître une partie de ce spectre et en théorie, son observation avec des missions comme eLisa peut nous permettre de vérifier que l'espace-temps autour de ces objets possède bon nombre des caractéristiques que l'on ne peut trouver qu'avec les solutions décrivant des trous noirs en relativité générale, pour autant que nous le sachions. On pourrait donc vérifier que c'est bien le comportement du tissu de l'espace-temps qui est responsable des propriétés des objets que nous croyons être des trous noirs, et non le comportement d'objets matériels très denses dans un état encore inconnu.

À nouveau, il n'est pas certain que cela nous donne une preuve vraiment indiscutable qu'un véritable horizon des événements s'est bien formé, piégeant pour un temps infini de l'énergie dans le cadre de la physique classique. En pratique, pour l'astrophysicien, cela aurait peu d'importance, car la théorie des trous noirs resterait toujours un excellent modèle pour décrire ce qu'il observe. Pour un théoricien cherchant à unifier les lois de la physique, c'est une tout autre affaire.

Dans cette vidéo, Jean-Pierre Luminet nous parle de l'évaporation des trous noirs via le rayonnement de Hawking. Cette évaporation pose une énigme connue sous le nom de paradoxe de l'information avec la physique des trous noirs. © Du Big Bang au vivant, YouTube

Stephen Hawking propose justement de remettre en cause la notion d’horizon des événements des trous noirs afin de résoudre le fameux paradoxe de l’information concernant les trous noirs quantiques, tout en évitant l’introduction de ce qui est appelé un « firewall », lequel semble contredire la théorie de la relativité générale.

Jean-Pierre Luminet : Effectivement. Il pense qu'il faut remplacer l'horizon des événements par ce qu'il appelle un horizon apparent qui piégerait la matière et la lumièreseulementde façon temporaire. Je précise tout de suite que lorsqu'il parle d'horizon apparent, Hawking ne fait pas allusion à un horizon du même nom qu'il a introduit il y a plus de 40 ans dans le cadre de la théorie mathématique des trous noirs. Il propose de reconsidérer les propriétés de la surface que nous associons à la théorie des trous noirs, de telle sorte qu'elle garde bon nombre de ses propriétés mais pas toutes, en particulier celle de définir une région de l'espace-temps dont aucun signal lumineux ne peut s'échapper pour l'éternité.

En ce sens, le concept d'horizon apparent n'est pas vraiment nouveau. Il y a une trentaine d'années, Thibault Damour, Kip Thorne et leurs collègues ont montré que l'on pouvait rendre compte du comportement des trous noirs en astrophysique avec ce qui a été appelé le paradigme de la membrane. Dans les calculs, on peut remplacer l'image de l'horizon d'un trou noir dans l'espace-temps par celle, plus intuitive, d'une sphère dans l'espace qui se comporte comme une bulle visqueuse de fluide chargée douée de propriétés thermodynamiques et électriques. La surface de cette bulle est située juste un peu au-dessus de l'horizon d'un trou noir.

Toutefois, il est difficile de prendre au sérieux l'idée de firewall, avancée pour ne pas remettre en question la théorie quantique quand on l'applique aux trous noirs et que l'on cherche à résoudre le paradoxe de l'information. Elle suppose que quelque chose se passe au niveau de l'horizon d'un trou noir à un moment de son existence de telle sorte qu'un observateur, notamment en chute libre, ne puisse pas pénétrer dans un trou noir en traversant son horizon sans être détruit. L'astrophysicien voit mal comment il pourrait y avoir un firewall quantique à l'horizon des événements de n'importe quel trou noir « réaliste », par exemple un trou noir de masse stellaire formé par l'effondrement gravitationnel d'une étoile massive, ou pire encore, un trou noir supermassif au centre d'une galaxie. Pensez au trou noir géant récemment détecté dans NGC 1277, dont le diamètre est de 100 milliards de kilomètres et la densité moyenne 1.000 fois plus faible que celle de l'air : les forces de marée sont extrêmement faibles au niveau de son horizon, et il n'y a aucune raison pour qu'un observateur le traversant ressente quelque chose de particulier. Même en admettant que l'hypothèse du firewall soit correcte (ce dont je doute), on peut calculer que ses effets seraient totalement inexistants à l'horizon des événements d'un trou noir de quelques masses solaires, comme l'ont récemment démontré les physiciens Marek Abramowicz, Wlodek Kluzniak et Jean-Pierre Lasota dans un article sur arxiv.

La physique des trous noirs laisse penser qu'ils pourraient constituer des ordinateurs incroyablement performants, aux limites de ce qui est possible. Les explications de Jean-Pierre Luminet. © Du Big Bang au vivant, YouTube

Finalement, que vous inspire la controverse au sujet de l’existence d’un firewall, qui a lieu depuis environ deux ans et qui est profondément liée au paradoxe de l’information avec les trous noirs quantique ?

Jean-Pierre Luminet : Je crois qu'elle reflète surtout le fait que nous n'avons pas encore une bonne théorie quantique de la gravitation. Il ne faudrait pas oublier aussi que la théorie des cordes n'est pas la seule théorie capable d'expliquer pourquoi on peut associer une entropie à l'horizon des événements d'un trou noir lorsqu'on cherche à combiner les lois de la relativité générale avec celles de la mécanique quantique. La théorie de la gravitation quantique à boucles permet elle aussi de le faire en modifiant l'idée que nous faisons de la géométrie de l'espace-temps à petite échelle. Cela conduit d'ailleurs à l'élimination des singularités prédites par la relativité générale classique au cœur des trous noirs et dans les modèles cosmologiques standards au moment du Big Bang. Certains théoriciens de la gravitation quantique à boucles, Abhay Ashtekar et Martin Bojowald, se sont penchés sur les problèmes posés par l'évaporation des trous noirs. Ils ont donné des arguments impliquant que le caractère quantique de la géométrie modifiait probablement les diagrammes d'espace-temps utilisés pour décrire cette évaporation, et que cela ne conduisait plus à une perte d'information. Les théoriciens des cordes ne sont donc pas les seuls en mesure de résoudre les énigmes des trous noirs quantiques.

Il existe aussi une possibilité intéressante récemment étudiée par la physicienne Sabine Hossenfelder. Le paradoxe du firewall émerge du fait que si l'on veut garder une description quantique complète et cohérente de l'évaporation d'un trou noir, il arrive un moment où le rayonnement quantique émis devient complètement intriqué avec le rayonnement émis dans le passé par un trou noir. Elle propose une voie pour remettre en cause cette intrication. Le problème de l'information n'en est pas pour autant résolu, mais il apparaît sous un nouveau jour qui ne conduit plus nécessairement à l'existence d'un firewall si l'on veut conserver l'information avec un trou noir quantique.

Il y a incontestablement quelque chose de très profond, que nous ne comprenons pas encore très bien et qui se trouve à l'intersection de la physique des trous noirs et de la théorie quantique de l'information. À cet égard, les spéculations de physiciens qui, comme Seth Lloyd, comparent les trous noirs et l'univers à des ordinateurs quantiques sont fascinantes.