Le paradoxe du rayonnement des trous noirs de Stephen Hawking pourrait enfin être résolu – si les trous noirs ne sont pas ce qu’ils semblent être
Une nouvelle étude suggère que les trous noirs ne sont peut-être pas les entités sans structure et sans caractéristiques que croyait Einstein. théorie générale de la relativité Les monstres cosmiques pourraient bien être d’étranges objets quantiques connus sous le nom d’« étoiles gelées ».
Bien que ceux-ci partagent certaines similitudes avec trous noirsles corps célestes hypothétiques diffèrent de manière cruciale, ce qui pourrait potentiellement résoudre le tristement célèbre paradoxe du rayonnement de Hawking (nommé d’après le regretté physicien Stephen Hawking, qui a proposé le phénomène). Ce paradoxe survient parce que le rayonnement théorique émis par l’horizon des événements d’un trou noir ne porte apparemment aucune information sur la matière qui a formé le trou noir, ce qui contredit un principe fondamental de mécanique quantique indiquant que les informations ne peuvent pas être détruites.
De plus, contrairement aux trous noirs conventionnels, on ne s’attend pas à ce que les étoiles gelées abritent une singularité – un point de densité infinie en leur centre – ce qui résout une autre contradiction entre l’image classique des trous noirs et la règle générale de la physique selon laquelle les infinis ne peuvent pas exister dans la natureLorsque des infinis apparaissent dans une théorie, cela signale généralement les limites de la théorie.
« Les étoiles gelées sont un type d’imitateurs de trous noirs : des objets astrophysiques ultracompacts, dépourvus de singularités et d’horizon, mais qui peuvent néanmoins imiter toutes les propriétés observables des trous noirs. » Ramy Brusteinprofesseur de physique à l’université Ben-Gourion en Israël, a déclaré à Live Science dans un courriel. « S’ils existent réellement, ils indiqueraient la nécessité de modifier de manière significative et fondamentale la théorie de la relativité générale d’Einstein. »
Brustein est l’auteur principal d’une étude décrivant la théorie des étoiles gelées, publiée en juillet dans la revue Examen physique D.
Résoudre le paradoxe
Le modèle classique d’un trou noir, décrit pour la première fois par Karl Schwarzschild en 1916, décrit les trous noirs comme ayant deux caractéristiques principales : une singularité où toute la masse est concentrée et un horizon des événements, une frontière d’où rien, pas même la lumière, ne peut s’échapper.
Cependant, ce modèle rencontre un sérieux problème lorsque la mécanique quantique est introduite. Dans les années 1970, Stephen Hawking a découvert que les effets quantiques près de l’horizon des événements devraient conduire à la création de particules à partir du vide spatial, un processus connu sous le nom de rayonnement Hawking. Ce rayonnement entraînerait une perte progressive de masse du trou noir et finir par s’évaporer complètement.
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Le paradoxe vient du fait que ce rayonnement ne semble contenir aucune information sur la matière qui a formé le trou noir. Si le trou noir s’évapore complètement, cette information semble perdue à jamais, ce qui contrevient aux principes de la mécanique quantique, qui imposent la conservation de l’information. Cette contradiction est connue sous le nom de paradoxe de la perte d’information, et constitue l’un des défis les plus importants de la physique théorique.
Dans leur nouvelle étude, Brustein et ses co-auteurs AJM Medved de l’Université de Rhodes et Tamar Simhon Les chercheurs de l’Université Ben Gourion ont effectué une analyse théorique détaillée du modèle des étoiles gelées et ont découvert qu’il résout les paradoxes du modèle traditionnel car il manque à la fois d’un horizon et d’une singularité.
Les auteurs ont découvert que si les trous noirs sont en réalité des objets très compacts composés de matière ultra-rigide dont les propriétés sont inspirées de la théorie des cordes, le principal candidat à la théorie de gravité quantiqueils ne s’effondrent pas en points infiniment denses et ont une taille légèrement supérieure à l’horizon des événements conventionnel, empêchant ce dernier de se former.
« Nous avons montré comment les étoiles gelées se comportent comme des absorbeurs (presque) parfaits bien qu’ils manquent d’horizon et agissent comme une source de ondes gravitationnelles« , a déclaré Brustein, notant que ces objets peuvent absorber presque tout ce qui tombe sur eux, un peu comme les trous noirs. « De plus, ils ont la même géométrie externe que celle d’un modèle conventionnel de trous noirs et reproduisent leurs propriétés thermodynamiques conventionnelles. »
Tester l’hypothèse de l’étoile gelée
Bien que le modèle de l’étoile gelée présente une solution potentielle aux paradoxes associés aux trous noirs traditionnels, les scientifiques doivent encore le tester expérimentalement.
Mais contrairement aux trous noirs classiques, on s’attend à ce que les étoiles gelées aient une structure interne, bien que celle-ci soit dotée de propriétés bizarres dictées par la gravité quantique. Cela ouvre la voie à une distinction observationnelle entre les deux. La preuve pourrait être présente dans les ondes gravitationnelles – des ondulations dans la structure de l’espace-temps – générées pendant fusions de trous noirs.
« C’est à ce moment-là que les distinctions seraient les plus prononcées », explique Brustein.
L’équipe doit encore déterminer exactement à quoi ressemblerait la structure interne d’une étoile gelée et en quoi elle différerait d’autres objets cosmiques extrêmes comme les étoiles à neutrons, mais c’est réalisable, a déclaré Brustein. À partir de là, ils pourraient analyser les données des observatoires d’ondes gravitationnelles existants et futurs, car les ondes gravitationnelles émises lors des fusions sont extrêmement puissantes et peuvent véhiculer des informations sur la structure de ces objets ultracompacts.
« La découverte de l’une des prédictions du modèle d’étoile gelée aurait un impact révolutionnaire », a déclaré Brustein.
