La physique fondamentale du Big Bang, la gravitation quantique, pourrait se manifester tout proche de l'horizon des trous noirs en modifiant de façon caractéristique la propagation des ondes, qu'elles soient gravitationnelles ou électromagnétiques. Cet effet pourrait être observable grâce à un pulsar en orbite autour d'un trou noir.
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[EN VIDÉO] Interview : comment est née la physique quantique ? La physique quantique est considérée comme l’une des théories majeures du XXe siècle, avec la relativité générale. Mais comment et pourquoi est-elle née ? Futura-Sciences a posé la question à Claude Aslangul, physicien, et voici sa réponse en vidéo.

Pendant des décennies, le terme de gravitation quantiquegravitation quantique expérimentale était presque un oxymore pour la communauté scientifique. Il y avait bien des tentatives pour construire une théorie quantique de la gravitation dès les années 1930, en particulier de la part du physicienphysicien russe, mort trop tôt, Matvei Bronstein, mais bien des obstacles se dressaient pour en déduire des phénomènes observables, en particulier à des énergiesénergies accessibles en laboratoire.

Pourtant, à la fin des années 1990, suite à la seconde révolution des cordes et surtout à l'essor des théories à basse massemasse de PlanckPlanck, tout était en train de changer rapidement. Les chercheurs espéreraient observer les effets de la gravitation quantique au LHCLHC et même dans le rayonnement fossilerayonnement fossile, avec Planck. Malheureusement, il n'en fut rien. Même les effets sur la propagation des rayons cosmiquesrayons cosmiques à hautes énergies de la fameuse structure en écumeécume de l'espace-tempsespace-temps, directement impliquée par des effets de gravitation quantique, ne se sont pas révélés au regardregard des télescopestélescopes gamma en orbiteorbite, Fermi et Intégral.

Le physicien Steven Giddings. Il a passé sa thèse avec Edward Witten, le grand physicien de la théorie des cordes et lauréat de la médaille Fields en mathématiques. © Sonia Fernandez

Le physicien Steven Giddings. Il a passé sa thèse avec Edward Witten, le grand physicien de la théorie des cordes et lauréat de la médaille Fields en mathématiques. © Sonia Fernandez

L'un des effets les plus spectaculaires impliqués par les théories à basse masse de Planck aurait été la production dans les collisions de protonsprotons au LHC de minitrous noirs s'évaporant par effet Hawking. L'un des chercheurs à qui l'on devait cette prédiction fascinante n'est autre que Steven Giddings. Or depuis quelques années, il a eu une nouvelle idée concernant la physique quantique des trous noirstrous noirs qui permettrait peut-être de voir des effets de gravitation quantique même en supposant que la masse de Planck est bien d'environ 1019 GeVGeV, comme les chercheurs le pensaient avant la fin des années 1990 et comme il semble que ce soit finalement, et malheureusement, bien le cas.

Comme Hawking et Susskind, Steven Giddings est préoccupé par le paradoxe de l’information avec les trous noirs. Pour préserver les lois de la mécanique quantiquemécanique quantique qui conduisent des trous noirs à s'évaporer, il faut que d'une façon ou d'une autre, l'information qui est tombée dedans puisse en ressortir, malgré l'existence d'un horizon des événementshorizon des événements. Des effets quantiques doivent connecter ce qui est à l'intérieur d'un trou noir avec le rayonnement qu'il peut émettre par effet Hawking.

Un espace-temps quantique trouble autour des trous noirs

Un premier indice de ce qui peut se passer consiste à appliquer les inégalités de Heisenberginégalités de Heisenberg à la structure de l'horizon des événements. La théorie d'EinsteinEinstein classique nous dit que pour un trou noir isolé, cet horizon ne doit pas changer et avoir la même taille, si bien que d'une certaine façon, la surface qui la définit à une position bien définie. Mais si l'espace-temps peut vibrer sous forme de gravitons, donc des particules soumises aux inégalités de Heisenberg connectant des positions et des vitessesvitesses dans un flou quantique irréductible, cela ne se peut. L'horizon n'étant pas complètement défini, une particule juste en dessous d'elle pourrait de temps en temps se retrouver en fait au-delà et donc pouvoir s'échapper sans devoir dépasser la vitesse de la lumièrevitesse de la lumière.

Une vue d’artiste d’un pulsar et ces deux faisceaux d’ondes radio en orbite autour d’un trou noir. © Michael Kramer

Une vue d’artiste d’un pulsar et ces deux faisceaux d’ondes radio en orbite autour d’un trou noir. © Michael Kramer

Plus généralement, comme Steven Giddings pense l'avoir établi, l'espace-temps au voisinage d'un trou noir pourrait être modifié par des effets quantiques. De sorte que la propagation de signaux, que ce soit des rayons lumineux, des ondes radioradio ou des ondes gravitationnellesondes gravitationnelles, en serait modifiée, peut-être de telle façon qu'on pourrait voir ses effets avec des instruments comme l'Event Horizon Telescope (dans ce cas précis, pas avec le trou noir supermassiftrou noir supermassif de la Voie lactéeVoie lactée mais avec celui de M87M87).

Inspirés par ces résultats, d'autres chercheurs viennent de déposer sur arXiv, un article dans lequel ils suggèrent cette fois-ci que les effets de gravitégravité quantique avancés par Giddings pourraient être observés dans le cas où un pulsar constitue un système binairesystème binaire avec un trou noir. Les radiotélescopesradiotélescopes devraient ainsi être capables d'observer des décalages dans les temps d'arrivée des signaux émis par le pulsarpulsar, lorsque ces signaux passent suffisamment proche du trou noir, du fait des fluctuations quantiques de l'espace-temps envisagées par Giddings. L'effet n'est pas sans rappeler celui bien connu en relativité généralerelativité générale classique sous le nom d'Effet Shapiro.

Dans le cas des trous noirs stellairestrous noirs stellaires de 30 masses solaires, les décalages seraient de l'ordre de 0,3 milliseconde. Pour le cas du trou noir supermassif de notre Voie lactée, Sgr A*, ils devraient être de l'ordre de... 40 secondes.

Espérons que d'ici une dizaine d'années, nous en saurons beaucoup plus.