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Les trous noirs en gravitation quantique à boucles

Dossier - La gravitation quantique à boucles, une théorie fascinante
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La gravitation quantique à boucles est une théorie qui tente de concilier la physique d’Einstein avec la physique quantique. Elle pourrait bien bouleverser notre vision de l'univers, notamment celle des trous noirs et du Big Bang.

  
DossiersLa gravitation quantique à boucles, une théorie fascinante
 

Les trous noirs sont des objets énigmatiques. Le destin de l'information qui y pénètre est mal compris. La gravitation quantique à boucles apporte un éclairage nouveau sur ces questions et conduit à repenser les trous noirs comme des étoiles de Planck en rebond.

Les trous noirs sont globalement des objets bien compris en relativité générale. Ils sont étranges pour l'intuition mais la plupart de leurs propriétés sont sous contrôle et ne posent pas de problème théorique particulier. Par exemple, la dilatation du temps devient « infinie » quand on s'approche de l'horizon. C'est un phénomène curieux pour l'imaginaire mais nullement pathologique et la relativité ne voit ici aucune difficulté particulière.

Représentation d’un trou noir connecté à un trou blanc. © A. Corichi/J.P. Ruiz, DR

L'entropie des trous noirs

Demeure pourtant une difficulté majeure avec les trous noirs. On peut facilement se convaincre qu'ils ont une entropie gigantesque et proportionnelle à l'aire de leur surface. L'entropie est à la fois une mesure du désordre du système et une mesure de l'information que l'on « manque » en s'en tenant à la description macroscopique. Or, si on comprend bien que l'air chaud contenu dans une bouteille est hautement entropique (parce que les molécules qui la composent sont nombreuses et désordonnées), comment comprendre l'entropie des trous noirs alors que ce sont, selon la relativité générale, des objets extrêmement simples ? La réponse ne peut venir que de la gravitation quantique. Cette question de l'entropie est aussi liée à celle de l'information perdue : tout processus physique admet un processus inverse sauf la formation des trous noirs. Il semble que ces derniers soient amnésiques et cela contredit des théorèmes fondamentaux de la mécanique quantique.

La gravitation quantique à boucles a permis d'apporter un éclairage nouveau sur ces questions. En particulier, l'entropie des trous noirs peut y être calculée de façon cohérente et la valeur attendue suivant les considérations thermodynamiques est effectivement retrouvée. Les premières études demandaient pour cela qu'un paramètre libre (dit « de Immirzi ») soit fixé à une valeur particulière mais de nouveaux développements, dits « holographiques », semblent conduire au bon résultat sans même exiger cette hypothèse plutôt arbitraire.

Un trou noir est un objet céleste difficile à observer directement. L’intensité de son champ gravitationnel est si intense qu’il empêche en théorie toute forme de matière ou de rayonnement de s’échapper. Peut-il exploser ? C'est la question que Futura a posée à Aurélien Barrau, astrophysicien spécialisé en cosmologie et auteur du livre Des univers multiples. © Futura

Un trou noir qui redevient un trou blanc ?

Carlo Rovelli, Francesca Vidotto et Hal Haggard ont également proposé un modèle très intéressant suivant lequel les trous noirs pourraient en réalité être des objets en rebond (ce qu'ils ont aussi appelé des « étoiles de Planck »). La formation du trou noir commencerait par une phase de contraction et quand la densité atteindrait une valeur proche de la densité de Planck, la matière « rebondirait » et le trou noir deviendrait un trou blanc. Ainsi, la singularité centrale serait évitée grâce aux effets quantiques qui se cumuleraient et pourraient avoir une influence même à l'extérieur de l'horizon. Pour autant dans l'immense majorité de l'espace, la solution serait toujours celle des équations d'Einstein.

Avec Carlo et Francesca, j'ai étudié les conséquences observationnelles possibles de cette idée. Elles ne sont pas évidentes. La raison pour cela est très simple : si le rebond est extrêmement rapide s'il est mesuré dans son référentiel propre (par une montre qui se déplacerait avec la matière en effondrement), il est incroyablement lent vu de l'extérieur (pour une montre associée à l'astronome qui regarderait le phénomène avec son télescope). Ce qui dure une fraction de seconde pour l'observateur comobile peut durer bien plus que l'âge de l'univers pour l'observateur lointain. Ce serait la raison pour laquelle nous n'observons pas les rebonds : on verrait le film comme « figé » par la dilatation du temps associée au potentiel gravitationnel.

Il y a également beaucoup de développements liés au processus d'évaporation de Hawking dans le cadre de la gravitation quantique à boucles. J'ai montré que certains phénomènes nouveaux pouvaient apparaître. Beaucoup d'autres études s'attellent à une description plus cohérente des trous noirs en gravité quantique.