Astrophysique : une nouvelle piste pour les trous de ver

Astrophysique : une nouvelle piste pour les trous de ver

 

Trou noir ver

 

Les physiciens ont compris assez rapidement que les trous noirs et les trous de ver étaient une solution possible aux équations de la relativité générale d’Albert Einstein. En effet, c'est très peu de temps après la publication de la théorie par Einstein en 1915, que le physicien allemand Karl Schwarzschild (fin 1915) a trouvé une solution possible qui prédit non seulement l’existence de trous noirs, mais aussi celle de tunnels les reliant. Mais Schwarzschild avait calculé que tout trou de ver reliant deux trous noirs s’effondrerait trop rapidement pour que quoi que ce soit puisse le traverser. La seule façon de traverser ces objets cosmiques, d'après lui, serait de les stabiliser grâce à l’existence de matières exotiques à densité d’énergie négative. C'est Albert Einstein lui-même, recevant un courrier explicatif de Schwarzschild, qui présenta au nom de celui-ci à l'Académie des sciences de Prusse le 13 janvier 1916 les calculs du physicien, car il est le premier à avoir trouvé une solution à ses équations gravitationnelles. Avec la métrique de Schwarzschild, ce dernier démontrait que dans les équations décrivant la gravitation d'une quantité de matière concentrée en un point, il apparaît une singularité à la distance du rayon de Schwarzschild du centre, qui n'est en fait qu'apparente, comme le montre la métrique de Kruskal-Szekeres. Malheureusement, Schwarzschild décédait en mai 1916, victime d'une maladie contractée lors de son enrôlement dans l'armée allemande pour faire la guerre.

Ses travaux sont à l'origine de toutes les recherches effectuées depuis sur les trous noirs et les trous de ver. Depuis, les trous noirs sont passés d'une hypothèse théorique à une reconnaissance quasiment unanime, alors que les trous de ver sont restés comme une hypothèse que de nombreux physiciens cherchent à confirmer ou infirmer.

Cette année 2019 a vu les publications de deux équipes de chercheurs qui pourraient faire évoluer les choses vers une confirmation de l'existence de ces fameux trous de ver. Pour rappel, les trous de ver sont des raccourcis hypothétiques entre deux régions de l’espace-temps. En fait, pour plusieurs physiciens, ces trous de ver pourraient non seulement relier deux points distants de notre univers, mais aussi (ou à la place), relier deux univers (parallèles ou dimensionnels) différents.

Tout d'abord, une équipe de scientifiques de l’Ivy League a publié une étude expliquant comment des trous de ver traversables pourraient exister. Daniel Jafferis, physicien à l’Université Harvard, semble avoir une solution. Comme il l’a expliqué dans sa conférence de l’April meeting of the American Physical Society 2019 : « La perspective de configurations de trous de ver traversables a longtemps été une source de fascination. Je décrirai les premiers exemples compatibles avec une théorie de la gravité pouvant être complétée par UV, sans aucune matière exotique. La configuration implique une connexion directe entre les deux extrémités du trou de ver. Je discuterai également de ses implications pour l’information quantique en relation avec la gravité, du paradoxe de l’information du trou noir et de sa relation avec la téléportation quantique ».

 

Trou noir ver blanc voyage interstellaire

Bien qu’ils soient une solution possible aux équations de la relativité générale, les trous de ver nécessitent de la matière exotique pour rester stables. Toutefois, selon Jafferis, il pourrait exister une configuration stable de trou de ver sans nécessiter une telle matière. Crédits : Andrzej Wojcicki/Getty

 

Dans le cadre de cette étude, Jafferis a examiné le travail effectué par Einstein et Nathan Rosen en 1935. Cherchant à développer les travaux de Schwarzschild et d’autres scientifiques à la recherche de solutions aux équations d’Einstein, ils avaient proposé l’existence éventuelle de ponts dans l’espace-temps (appelés ponts d’Einstein–Rosen, ou trous de ver) qui pourraient théoriquement permettre à la matière et aux objets de les traverser.

En 2013, cette théorie était utilisée par les physiciens théoriciens Leonard Susskind et Juan Maldacena comme une solution possible pour la relativité générale et l’intrication quantique. Connue sous le nom de conjecture ER = EPR, cette théorie suggère que les trous de ver sont à la base du mécanisme de l’intrication quantique, permettant de relier deux particules séparées l’une de l’autre.

C’est à partir de là que Jafferis a développé sa théorie, en postulant que les trous de ver pourraient en réalité être traversés par des photons. Pour tester cela, Jafferis a mené une analyse avec l’aide des physiciens Ping Gao et Aron Wall.

Lire la suite ci-dessous :

Mais cette théorie a aussi une implication : 

Ce que les physiciens ont découvert est que, bien qu’il soit théoriquement possible pour la lumière de traverser un trou de ver, ce dernier ne fait pas vraiment office de raccourci. « Il faut plus de temps pour traverser ces trous de ver que pour se rendre directement au point souhaité, de sorte qu’ils ne sont pas très utiles pour les voyages dans l’espace » explique Jafferis.

Fondamentalement, les résultats de leur analyse ont montré qu’une connexion directe entre trous noirs est plus courte qu’une connexion par trou de ver. Même si ces résultats remettent en cause les trous de ver comme des moyens futurs potentiels de se déplacer rapidement dans et entre les galaxies, les informations qu’ils apportent sur la théorie quantique sont précieuses.

 

Troudever hawking lombry

« La véritable importance de ce travail réside dans sa relation avec le problème de l’information des trous noirs et les liens entre la gravité et la mécanique quantique » déclare Jafferis.

Le problème auquel il fait référence est connu sous le nom de paradoxe de l’information, un problème qui se pose aux cosmologistes depuis 1975, moment où Hawking, travaillant sur la thermodynamique des trous noirs, a découvert que ceux-ci avaient une température et s’évaporaient lentement ; un processus appelé rayonnement de Hawking. Si les trous noirs perdent progressivement de la masse, alors l’information qu’ils contiennent semble irrémédiablement perdue. Une situation interdite par la mécanique quantique (YH : car absolument rien ne peut disparaître, y compris nos propres pensées et conscience, qui sont de l'information, dès (ou un peu avant en réalité) notre naissance par exemple...).

En développant une théorie selon laquelle la lumière peut traverser un trou de ver, cette étude pourrait représenter un moyen de résoudre ce paradoxe. Il se pourrait en effet que le rayonnement de Hawking provienne en réalité d’une autre région de l’espace-temps, et non de la périphérie du trou noir. Ainsi, il ne représenterait donc pas une perte d’énergie-masse.

L’étude ouvre également de nouvelles pistes dans l’unification de la relativité générale et la mécanique quantique, au sein d’une théorie de la gravité quantique. Cela est dû au fait que Jafferis a utilisé des outils de la théorie quantique des champs pour postuler l’existence de trous de ver traversables, éliminant ainsi le besoin de particules exotiques et de masse négative (incompatible avec une théorie de la gravité quantique).

« Je pense que cela nous apprendra beaucoup sur la dualité jauge/gravité, la gravité quantique, et nous suggérera peut-être même une nouvelle façon de formuler la mécanique quantique » conclut Jafferis.

Sources : AIP

 

https://trustmyscience.com/trous-de-ver-ne-seraient-pas-des-raccourcis/

 

Une autre étude, publiée fin septembre 2019, dans le journal réputé Physical Review D et en libre accès sur arXiv, par deux chercheurs, Dejan Stojkovic, de l'université de Buffalo (USA), et De-Chang Dai de l'université Yangzhou, décrit une autre méthode pour tenter de savoir si un trou noir n'est pas en fait un trou de ver.

Si un trou de ver relie en douceur deux espaces-temps différents, le flux ne peut être conservé séparément dans aucun de ces espaces individuellement. Ensuite, les objets se propageant au voisinage d'un trou de ver dans un espace doivent ressentir l'influence d'objets se propageant dans l'autre espaceNous le montrons dans les cas du champ scalaire, électromagnétique et gravitationnel. Le cas de la gravité est peut-être le plus intéressant. À savoir, en étudiant les orbites des étoiles autour du trou noir au centre de notre galaxie, nous pourrions bientôt dire si ce trou noir abrite un trou de ver traversable. En particulier, avec une précision d’accélération proche de dix- 6m / s2, quelques masses solaires en orbite autour de Sgr A * de l’autre côté du trou de ver à une distance de quelques rayons gravitationnels laisseraient une empreinte détectable sur l’orbite de l’étoile S2 de notre côté. Alternativement, on peut s'attendre au même effet dans les systèmes binaires à trous noirs, ou dans les systèmes binaires à trous noirs - étoilesUn autre résultat que nous trouvons très intéressant est que la gravité peut fuir même à travers le trou de ver non traversable. "

L'idée de base est simple à comprendre. Si un trou noir supermassif comme Sgr A* est en fait un trou de ver, il canalise le champ de gravitation des objets à l'une de ses entrées pour le faire sortir à l'autre. Cela doit se produire, que les deux extrémités du trou de ver soient dans notre Univers ou qu'elles connectent deux univers.

Il en résulterait que les mouvements des étoiles proches de Sgr A*, par exemple la célèbre S2, ne seraient pas exactement conformes à ce qui est attendu car le champ de gravitation ne serait pas celui d'un trou noir de Kerr mais la somme des champs produits par le trou de ver et par les astres proches de chaque côté du trou de ver.

 

Trou vers american physical society

Sur ce schéma, au centre les deux bouches d'un trou de ver identifiées en une seule, et qui se présentent en première approximation comme deux horizons des événements d'un trou noir mais qui n'en sont pas. Ce trou de ver connecte deux régions d'un même univers ou deux univers. Le champ de gravité que subissent deux étoiles est en fait le résultat de celui du trou de ver et de chacune de ces étoiles de part et d'autre du trou de ver, ce qui conduit à des mouvements anormaux si l'on ne sait pas que l'on est en présence d'un trou de ver. © American Physical Society

 

Bien sûr, en découvrant des telles anomalies de mouvements, la question se poserait de savoir à quel point il est possible d'en rendre compte à partir d'autres hypothèses, par exemple avec la présence d'une population de trous noirs stellaires difficiles à détecter proche de Sgr A*, lesquels modifieraient sans aucun doute l'aspect de l'espace-temps autour de Sgr A*, espace-temps dont la métrique, comme disent les physiciens, ne serait plus exactement celle d'un trou noir de Kerr.

" Lorsque nous atteindrons la précision nécessaire à nos observations, nous pourrons peut-être dire qu’un trou de ver est l’explication la plus probable si nous détectons des perturbations dans l’orbite de S2. Mais on ne peut pas dire : Oui, c’est un trou de ver. Il pourrait y avoir une autre explication, quelque chose d’autre de notre côté qui perturbe le mouvement de cette étoile ".

Il n'en reste pas moins que c'est une piste intéressante à creuser, tant la découverte de l'existence de trous de ver, potentiellement connectés à d'autres univers en plus, comme espérait pouvoir le montrer le défunt Nikolaï Kardachev avec RadioAstron, serait une révolution scientifique.

Sagittarius A* (également abrégé en Sgr A*) est une source intense d'ondes radio, située dans la direction de la constellation zodiacale du Sagittaire (coordonnées J2000 : ascension droite 17h 45m 40,045s, déclinaison -29,00775°) et localisée au centre de la Voie lactée, à 8 178 ±​  13stat ± 22sys parsecs du Système solaire. La radiosource Sgr A* est aujourd'hui considérée comme associée à un trou noir supermassif d'environ 4,152 millions de masses solaires situé au centre de notre galaxie. Ce trou noir serait l'objet primaire d'un amas stellaire. La douzaine d'étoiles connues composant cet amas est en orbite autour du trou noir.

 

Pour résumer : 

  • Les trous noirs sont définis par l'existence d'un horizon des événements. Ils partagent certaines autres propriétés avec des objets sans horizon que sont les trous de ver, également solutions des équations d'Einstein, et peuvent donc se faire passer pour eux.
  • Plusieurs objets astrophysiques se comportent de façon convaincante comme des trous noirs, mais une preuve définitive, la présence d'un horizon, manque ; il existe des alternatives à cette hypothèse mais elles sont peu crédibles.
  • Ligo et Virgo pourraient permettre de distinguer trous noirs et trous de ver via un phénomène d'écho dans les ondes gravitationnelles émises lors des collisions et fusions de ces objets ou encore via la détection des modes quasi-normaux.
  • D'autres stratégies existent, dont l'une consiste à mesurer finement le mouvement des étoiles autour du trou noir supermassif de la Voie lactée Sgr A*. Des étoiles de l'autre côté de l'une des entrées d'un trou de ver pourraient faire sentir gravitationnellement leur présence.

 

les trous noirs prédits par la théorie de la relativité générale peuvent vibrer en possédant un spectre de vibrations qui constitue une carte d'identité fiable comme le sont les raies d'émissions des atomes d'un élément donné. Il est théoriquement possible de distinguer un trou noir décrit par les équations d'Einstein d'un trou noir décrit par une autre théorie relativiste de la gravitation (par exemple tenseur-scalaire pour reprendre le jargon des physiciens théoriciens) avec ce spectre qui précisément est la marque de modes quasi-normaux.

En outre, un objet compact, mais qui ne possède pas un horizon des événements, émettrait des ondes gravitationnelles différentes lors d'une collision. Un trou de ver ne possède pas un tel horizon et on peut donc imaginer tenter de détecter l'existence de ces objets grâce à l'astronomie gravitationnelle.

Certains scénarios cosmologiques faisant jouer un rôle important à des champs scalaires, peut-être en relation avec l'existence de l'énergie noire aujourd'hui ou d'une phase d'inflation dans l'univers primordial, permettent d'imaginer que des trous de ver sont apparus pendant le Big Bang. Les trous noirs supermassifs, dont on tente d'expliquer l'existence en les faisant croître à partir de « graines » qui seraient des trous noirs primordiaux nés de fluctuations de densité dans le contenu de l'univers à sa naissance, pourraient en fait être des trous de vers primordiaux.

 

Trou noir m87

Observation de la structure considérée comme le Trou Noir M87* en avril 2019.

Messier 87 (aussi dénommée M87, NGC 4486, ou radiogalaxie Virgo A) est une galaxie elliptique supergéante. Elle a été découverte en 1781 par l'astronome français Charles Messier. Située à 16,4 ± 0,5 Mpc (∼53,5 millions d'a.l.) de la Terre, c'est la plus grande et la plus lumineuse des galaxies de l'amas de la Vierge. Contrairement aux galaxies spirales en forme de disque, Messier 87 n'a pas de bande de poussière et a une forme elliptique. En son cœur, elle possède un trou noir supermassif qui constitue l'élément principal d'un noyau galactique actif, une forte source de rayonnement dans toutes les longueurs d'onde particulièrement de micro-ondes. Un jet de plasma énergétique émerge du cœur et s'étend sur au moins 5 000 années-lumière. Au cœur de cette galaxie se trouve un trou noir supermassif (TNSM), nommé M87*, dont la masse est estimée à 6,5 ± 0,7 milliards de masses solaires. C'est l'une des masses les plus importantes pour ce type d'objet. Son diamètre est de 38 milliards de km soit 254 ua ou 1,5 jour-lumière, ou encore environ 3 fois le diamètre de l'orbite moyenne de Pluton. Autour de ce trou noir on trouve un disque d'accrétion de gaz ionisé, qui est orienté perpendiculairement au jet. Ce gaz orbite autour du trou noir à des vitesses allant jusqu'à 1 000 km s−1. Le gaz tombe par accrétion dans le trou noir à un taux estimé à une masse solaire par dizaine d'années. Le trou noir de M87 est décalé par rapport à son centre d’une distance de environ 25 pc (∼81,5 a.l.). Ce décalage est orienté dans la direction opposée de la direction du jet.

Les ondes gravitationnelles ne sont pas le seul moyen de tester la théorie des trous noirs et de révéler l'existence d'objets exotiques qui pourraient prendre leur place. En fait, les membres de la collaboration Event Horizon Telescope ont cherché à savoir si M87* n'était pas en fait un trou de ver car l'image que l'on pouvait obtenir n'est pas la même selon que l'on est en présence d'un trou noir de type Kerr ou d'un objet ayant des caractéristiques de trou de ver. Il semble que, dans le cas de M87*, cette dernière possibilité soit peu probable comme l'expliquait Katie Bouman dans son séminaire à Caltech (voir en 45-49, la vidéo ci-dessous).

 

Un séminaire de Katie Bouman sur l'image prise de M87*. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ».

© Caltech

 

Les trous de ver sont des objets hypothétiques censés relier deux régions distinctes de l’espace-temps. Formant un raccourci, ils permettraient à la matière, et peut-être aux humains, de se déplacer plus rapidement. Futura-Sciences a interviewé Roland Lehoucq, astrophysicien, pour qu’il nous parle plus en détail de ce concept. 

 

Sources : https://arxiv.org/abs/1910.00429

https://www.buffalo.edu/news/releases/2019/10/035.html

https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/astrophysique-trou-noir-centre-voie-lactee-il-trou-ver-9885/

Autre lien intéressant (2017) : https://www.pourlascience.fr/sd/physique/un-trou-de-ver-etudie-en-laboratoire-12720.php

 

YH : Notons aussi que les trous de ver, théoriquement, pourraient proposer une solution aux voyages dans le temps, si une extrémité du trou de ver est accélérée jusqu’à une fraction significative de la vitesse de la lumière puis ramenée au point d’origine... J'en ai parlé dans cet article proposant plusieurs hypothèses (vers le bas) :

http://www.sciences-faits-histoires.com/blog/sciences/ebe-dinosauriens-et-voyages-temporels.html

Dans de prochains articles sur le même sujet, je vous proposerai de découvrir les théories du chercheur Jean-Pierre Petit, retraité du CNRS, et de son modèle Janus, qui pourrait expliquer plusieurs mystères non résolus de notre astrophysique actuelle...

 

Yves Herbo et traductions, Sciences-Faits-Histoires, 27-10-2019

 

 

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