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La théorie de la Relativité

La relativité générale : des exemples concrets

Des singularités visibles (VII)

Grâce à la théorie d'Einstein, les physiciens sont convaincus que la densité de la matière dans un trou noir est portée à une valeur telle qu'elle provoque une force gravitationnelle infinie, une singularité. Les théoriciens émettent l'hypothèse que les phénomènes disparaissent en-dessous de l'horizon interne du trou noir sans possibilité de retour en arrière. Nous avons largement débattu ces questions dans l'article consacré aux trous noirs.

A l'Université Cornell, Stuart Shapiro et Saul Teukolsky[41], déjà connus pour leurs modèles des étoiles effondrées sont parvenus à démontrer à partir de simulations informatiques, que sous certaines conditions les singularités pouvaient être visibles. Dans ce cas, la théorie de la relativité générale ne peut plus guider les cosmologistes pour prédire l'évolution future de l'univers et les physiciens devront se reporter sur une théorie plus complète.

L’effet Einstein

Schéma expliquant le “ralentissement” des fréquences aux alentours du champ gravitationnel d’un trou noir. Notez la courbure progressive des rayons lumineux à mesure que l’horizon se rapproche. Cette courbure progressive est également représentée par les cônes de lumière. L’horizon des événements se manifeste lorsque le décalage Doppler devient infini. Il équivaut à un rayon stellaire de 2GM/c2. C’est la limite de Schwarzschild. Sur l’horizon des évènements (à la limite extérieure du cylindre) la trajectoire des photons suit un cercle autour de la singularité; c'est la sphère de photons. En-dessous de l'horizon interne, selon la théorie de BKL l’effondrement s’effectue dans toutes les directions de façon chaotique à une vitesse supérieure à celle de la lumière. Schéma basé sur les calculs de Roger Penrose de l'Université d'Oxford et adapté par l'auteur.

Dans les années 1970, Kip Thorne avait émis l'hypothèse qu'un trou noir (avec horizon) ne pouvait se former que si toute la masse s'effondrait dans toutes les directions en même temps, la singularité était sphérique et le théorème "pas de cheveux" semblait validé. Si ce n'était pas le cas et que l'étoile s'effondrait asymétriquement ou si sa vitesse angulaire dépassait sa vitesse critique (maximale), les deux horizons internes et externes du trou noir fusionneraient et disparaîtraient mettant à jour la singularité qui serait donc "nue", visible, en violation du principe des "censures cosmiques" proposé par Roger Penrose en 1969. Thorne démontra également que si cet objet tournait sur lui-même bout à bout, il émettrait de fortes ondes gravitationnelles. Les travaux des chercheurs de l'Université Cornell semblent aller dans ce sens.

Il s'avère que si une masse hétérogène de forme allongée, une prolate très massive s'effondre jusqu'au stade ultime, elle se transforme non pas en corps sphérique, mais linéaire, en forme de cigare, avec une singularité nue à chaque extrémité. Selon leurs calculs, les oblates qui s'effondrent sur elles-mêmes prennent une forme aplatie avant de devenir prolate et de s'effondrer de la même manière. Leurs calculs tiennent comptent de la théorie d'Einstein, gommant du fait même le défaut majeur de la théorie de la relativité générale : la singularité. L'information peut s'extraire d'une singularité nue et quitter son emprise gravitationnelle. Ce rayonnement que personne n'a jamais vu et qu'il est encore impossible de décrire serait émis par la singularité sans référence à la loi de causalité; les informations nous parviendraient dans un ordre tout à fait aléatoire, brisant la flèche temporelle du passé vers l'avenir. La perte de masse par rayonnement gravitationnel serait très inférieure à 1%, ce qui signifie que toute l'énergie de ces corps (gravitationnelle, cinétique et potentielle) se trouverait confinée dans la singularité.

L’emprise des rayons lumineux

A l'heure d'aujourd'hui, l'hypothèse de la "censure cosmique" n'a jamais été démontrée et personne n'a encore découvert de singularité "nue". Cela ne veut pas dire que ce sont des visions de l'esprit car en soi ces hypothèses sont plausibles (le Big Bang par exemple est une singularité nue). Peut-être que ces concepts évolueront le jour où les théoriciens auront développé une théorie de la gravité quantique (cordes, gravité quantique à boucles, etc).

Le trou de ver

Selon John Wheeler, deux singularités pourraient être reliées dans l’hyperespace par un trou de ver, sorte de sas entre deux régions éloignées de l’univers. Seul inconvénient, nul ne sait comment entretenir un tel passage et lui donner une taille macroscopique. En effet ce “pont” dans l’hyperespace mesure 10-33 cm et est instable; il se referme sur lui-même en l’espace de 10-43 seconde ! Pire, si on essaye de l’agrandir, il s’autodétruit... Comme aiment le dire les physiciens, le trou de ver appartient à l’"écume quantique" et obéit aux lois probabilistes.

Totalement différent d’une singularité, un trou de ver est “nu”, il demeure visible aux yeux de tous et plus extraordinaire encore, il permet de voyager dans le temps en fonction du sens que l’on prend, ce qui explique son attrait.

Document T.Lombry

Enthousiasmés par leur découverte, les chercheurs de Cornell poursuivent leurs recherches mais n'en restent pas moins réalistes. Shapiro disait en 1990 : "Les objets que nous avons étudiés n'existent probablement pas dans la réalité". Il est vrai que ce scénario n'a pas la prétention d'être une théorie et ces simulations n'en sont pas les démonstrations. Pour asseoir leur découverte, de manière à ce qu'elle soit plus conforme à la réalité, l'équipe de Cornell tente d'élaborer un modèle plus réaliste des singularités, en choisissant d'autres matières, des masses moins hétérogènes ou des vitesses de rotation différentes. Si leur modèle pouvait prédire un événement vérifiable dans l'univers, toute la théorie physique en serait bouleversée. L'outil qui devait guider les astrophysiciens relativistes serait ébranlé et la seule échappatoire serait d'aboutir à une théorie quantique relativiste, c'est la gravité quantique. Mais d'aucun considère que ces simulations sont trop artificielles et qu'il ne faut pas - encore - les prendre "au pied de la lettre", à l'image des films de fiction tel Deep Space 9, Stargate SG-1 ou Slider.

Bien que très loin en-deçà du pouvoir de résolution des télescopes actuels - une singularité d'un milliard de Ms (0.0001") serait détectable à 0.5 parsecs -, la découverte directe d'une seule singularité nue ferait vaciller toute les prédictions concernant l'évolution de l'univers. Seul un réseau interférométrique intercontinental ou un hypertélescope pourrait détecter une telle entité. La présence d'une telle singularité ne permettrait plus de préciser l'évolution future de cette région de l'espace. Hélas, nous sommes encore loin de pouvoir pénétrer profondément dans les confins de l'univers[42].

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[41] S.Shapiro et S.Teukolsky, Physical Review, 66, 1990, p994. Cf. également leurs premiers travaux dans S.Shapiro et S.Teukolsky, Science, 241, 1988, p421.

[42] A.S.Hawking/R.Penrose, “The Nature of Space and Time”, Princeton University Press, 1996 - M.Begelmen/M.Rees, “Gravity’s Fatal Attraction : Black Holes in the Universe”, W.H.Freeman, 1996 - K.Thorne, “Black Holes and Time warps: Einstein’s outrageous Legacy”, Papermac, 1995 (version française chez Flammarion-NBS).


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