Notons qu'aujourd'hui, dans les théories de supercordes, un trou noir devient l'intersection de p-branes (membranes à plus de 4D) se croisant dans des dimensions supérieures, le rayonnement Hawking correspondant au détachement d'une p-brane sous forme de corde fermée (1-brane).

La radiation Hawking émise par cette "pelotte" contiendrait alors l'information concernant les propriétés internes du trou noir. Bien que cette théorie était et demeure très intéressante dans le cadre des théories de supercordes, finalement tout le monde accepta la conjecture paradoxale de Hawking et les choses en restèrent là jusqu'en 2004, faute d'une explication plus rationnelle.

Une semaine avant l'ouverture de la 17^eme Conférence sur la Relativité Générale et la Gravitation qui allait se tenir à Dublin le 21 octobre 2004, Hawking informa le physicien Curt Cutler de l'Institut Albert Einstein de Golm en Allemagne et responsable scientifique du comité organisateur qu'il avait "résolu le paradoxe de l'information du trou noir et voulait en parler". Curt Cutler accepta de l'inscrire sur l'agenda et dira par la suite "je n'ai pas lu le preprint du document. Pour être honnête, je me suis basé sur la réputation de Hawking".

Bien que Hawking n'ait pas révélé les détails mathématiques de sa découverte, des détails fragmentaires avaient été communiqués au cours d'un séminaire antérieur qui s'était déroulé à Cambridge. Selon son collègue Gary Gibbons, un expert de la physique des trous noirs présent au séminaire, les trous noirs de Hawking, à l'inverse des trous noirs classiques, n'ont pas d'horizon des événements bien délimité cachant leur intérieur au yeux du monde extérieur. En résumé, son nouveau modèle de trou noir n'est jamais une entité totalement obscure et qui absorbe tout; elle rayonne et finit par livrer l'information qu'elle détenait. "Il est possible dira Gibson, que ce qu'il présenta au cours du séminaire était la solution, mais il aurait dû dire que je jury était une fois encore hors course".

Voici la transcription de la conférence de presse, ainsi que les réactions des lecteurs sur le forum sci.physics.research.

L'avenir des trous noirs

Serait-il un jour possible de créer des mini trous noirs loin dans l’espace comme l’imagine Novikov^[12] ? En vertu de la loi de conservation de l’énergie et de la théorie d'Hawking, puisqu’un trou noir doit perdre progressivement sa masse, il perd également son énergie. Dans un lointain avenir, nos ingénieurs “es trous noirs” trouveront peut-être un moyen pour produire de l’énergie bon marché. En effet, accumulant de l’énergie au cours de leur formation, les mini trous noirs irradieront un spectre de particules à un taux prédit par le niveau d’énergie de chacune d’elle qui est déterminé par la masse du trou noir. Ainsi, un mini trou noir d’un milliard de tonnes émettrait environ 10¹⁷ erg/sec durant quelque dix milliards d’années, une aubaine en ces probables périodes de crises d’énergie ! Freeman Dyson de Princeton a d’ailleurs imaginé qu’une civilisation tirant profit de ce mécanisme pourrait survivre dans ce lointain futur glacial. Nous discuterons de cette théorie dans le dossier consacré à la bioastronomie.  

Finalement il nous faudra expliquer ce qui se produit lorsque tous les trous noirs s’évaporeront à un point tel que l’approximation semi-classique deviendra invalide. Nous devons en principe appliquer les mécanismes quantiques au champ gravitationnel du trou noir lui-même. Mais personne ne peut résoudre complètement de telles équations aujourd’hui. Il réside donc une incertitude quant à la dernière phase de l’évaporation des trous noirs, ce que nous futurs ingénieurs auront certainement résolue 

Plusieurs hypothèses ont été imaginées qui se résument en quelques scénarii :

- les trous noirs arrêteront leur évaporation lorsqu’ils atteindront une masse restante positive

- les trous noirs arrêteront de s’évaporer lorsqu’il ne restera que des particules ayant la masse de Planck (10^-5 g)

- ils continueront de s’évaporer jusqu’à ce que leur masse devienne négative

- ils disparaîtront complètement

- ils disparaîtront en formant des singularités nues, limites visibles de l’espace-temps.

Jusqu'à l'annonce de Hawking, le mathématicien et physicien anglais Roger Penrose surnommait le trou noir, "la censure cosmique". A l'instar d'une boîte de Pandore, le trou noir était considéré comme un objet inquiétant et mal connu qu'un censeur suprême nous empêchait d'ouvrir. Hawking ouvre ici une voie de recherches prometteuse. 

Einstein parlait de déterminisme à propos des singularités, acceptant volontiers les idées de Laplace ou celles véhiculées par le principe anthropique fort. Cette conclusion philosophique ne satisfait pas les physiciens qui tentent d'unifier la relativité générale et la physique quantique pour expliquer de façon plus commode la structure matérielle et temporelle du trou noir. 

Depuis quelques temps, il semblerait, du moins en théorie du champ gravitationnel classique, que sous certaines conditions les singularités soient visibles. Pour cela, l'objet doit avoir une forme allongée, ce qui le forcerait à s'effondrer asymétriquement. Cette découverte étant fondamentale, nous en reparlerons en relativité générale. En ouvrant la boîte de Pandore et en mettant à nu les singularités, espérons que la découverte des ondes gravitationnelles marquera d'une pierre blanche cet événement sans trop bouleverser la physique.

Supergravité, supercorde et théorie M

Ainsi que nous l'avons évoqué antérieurement, les seules théories pouvant prétendre résoudre les difficultés actuelles des deux principales théories cadres de la physique sont la théorie de la supergravité et sa généralisation, la théorie M, qui laissent entrevoir l’unification des interactions fondamentales^[13]. Si l’une de ces théories est correcte, il est possible en principe d’expliquer ce qui se passe lorsqu’un trou noir s’évapore. Malheureusement pour notre curiosité, ces théories sont encore peu nombreuses et trop effilochées pour prétendre définir toutes les implications de ce phénomène. Essayons malgré tout de décrire quelques solutions.

En effectuant une étude thermodynamique des modes turbulents des cordes (la façon dont les particules se matérialisent dans la réalité), une analyse aussi complexe que son titre, M.Bowick^[14] et ses collègues de l’Université de Yale concluent qu’il est statistiquement probable qu’un trou noir s’évaporant se transformera en corde massive lorsqu’il sera suffisamment petit. Finalement la corde elle-même se désintégrera sous forme de radiation ordinaire, de particules sans masse. Cette théorie permet aux trous noirs de disparaître complètement de la scène cosmique sans laisser de singularité nue, parce que le champ gravitationnel lui-même fait partie du champ de supercorde. Cette conclusion est raisonnable car elle découle rigoureusement des résultats mathématiques.

Avant même de connaître la théorie des supercordes, les physiciens avaient déjà imaginé qu’un trou noir suffisamment petit pouvait se transformer en un spectre de particules massives sans présenter de champ gravitationnel classique conduisant à une singularité nue. Les théories des supercordes nous donnent le moyen de comprendre conceptuellement ce qui se produit, mais comme le dit D.Page, il ne s’agit que d’indices.

Quant à la question de savoir si les théories des supercordes permettent de prédire l’entièreté du phénomène d’évaporation, s’il y a une brisure dans le phénomène par exemple, Bowick admet qu’il ne voit pas très bien comment cette théorie pourrait résoudre ce problème. En fonction des différents modes d’émission des trous noirs il existe un tel nombre de corrélations entre les particules que les méthodes de calculs sont innombrables. Il est trop tôt pour envisager toutes les solutions.

A l'heure actuelle aucune observation ne semble étayer les hypothèses de Stephen Hawking mais il faut reconnaître que nos théories sont encore imprécises et nos outils à peine adaptés à ce type de recherche; nos instruments sont de taille réduite, incapables d'appréhender les énergies des supercordres, ils manquent également de sensibilité et de résolution. Pour corser le tout, certains physiciens ne comprennent pas pourquoi il faut faire appel à des cordes à 10 dimensions pour résoudre des problèmes tridimensionnels qui n'en requièrent a priori pas plus... Tout un débat !

Tous les effets gravitationnels que nous venons de décrire semblent paradoxaux parce que nous essayons d'expliquer des processus en-dehors de leur cadre, par le biais de la mécanique de Newton. Or ceux-ci sont provoqués par des champs extrêmement variables et de haute énergie, que seules les lois conguguées de la relativité générale et de la physique quantique peuvent expliquer. Le bouleversement que ces deux théories ont provoqué en physique s'explique aisément devant ces paradoxes, qui font tous références à la mécanique classique. C'est dans ce contexte que la relativité générale révèle le génie d'Einstein qui sut expliquer par la seule force de son intuition les propriétés d'un espace-temps soumis à des champs gravitationnels intenses et/ou variables. Mais le succès n'est pas encore total. Demain, la supergravité et la théorie M vont certainement révolutionner notre manière de penser l'astrophysique.

Prochain chapitre

Les trous noirs existent-ils ?