Gravitons et trou noir

[dragounet]

Bonjour à tous les super astrophysiciens du Forum qui ne sont pas en vacance.

Quoique ma question concerne peut-être plus des physiciens quantique, corpusculaire ou relativiste.

Bon je me lance, pardon d'avance si ma question et mes supputations sont stupides.

JPL pas taper la tête et pas fermer le fil tout de suite, S.V.P.

Si les gravitons existaient et allait à C, ils ne pourraient pas sortir du trou noir, donc ils seraient créés sur l’horizon des événements.
Par quel mécanisme ?

Une création de paire de graviton virtuels, dont un des deux deviendrait réel par le jeu des forces de marées crées par ??? Le graviton ?

Là on aurait interaction du graviton avec lui-même pour se créer ??

Mais alors, avant qu’il existe pour créer les forces marées qui lui permettrons de devenir réel, ce serait la futur action du graviton qui remonterait dans son passé pour se créer !
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[Deedee81]

Salut,

Si les gravitons existaient et allait à C, ils ne pourraient pas sortir du trou noir, donc ils seraient créés sur l’horizon des événements.
Par quel mécanisme ?

C'est un sujet qui a déjà été largement discuté.

Voici mon point de vue.

Tout d'abord, le graviton EST le champ gravitationnel. La représentation du champ gravitationnel par la courbure de l'espace-temps est la description classique en RG. La description par le graviton est la description quantique. Mais les deux décrivent la même réalité physique. Ce sont deux façons de voir la même chose.

Ensuite, n'oublions pas que le graviton est hypothétique. Lorsque l'on quantifie la gravitation avec les outils habituels de la théorie quantique des champs, ça donne le graviton mais.... ça ne marche pas !!!! La théorie n'est pas renormalisable.

Voyons donc les choses de manière classique. Lorsqu'un trou noir se forme, la gravité devient très intense au bord de l'étoile. Cette gravité intense implique une dilatation du temps importante. A la limite, quand l'horizon des événements se forme, la dilatation du temps devient infinie (un photon qui quitterait le trou noir en partant juste de l'horizon de l'événement subirait un redshift infini, il n'arriverait jamais à l'extérieur).

Pour un observateur extérieur, tout ce qui entoure le trou noir est donc fortement ralenti. S'il regardait un voyageur tomber dans le trou noir (de même s'il regarde la matière formant l'étoile en train de s'effondrer), à supposer qu'il capte assez de photons (ce n'est pas le cas ! Ce n'est pas pour rien que cela s'appelle un trou noir), il verrait le voyageur ralentir, se "figer", et ne jamais franchir l'horizon. Pour un observateur extérieur, le trou noir est comme "gelé".

Il en est ainsi aussi de son champ gravitationnel. Pour un observateur extérieur, le champ gravitationnel est le champ gravitationnel de l'étoile juste avant qu'elle ne devienne un trou noir (et de tout ce qui a pu tomber dedans par après, y compris notre pauvre voyageur).

Ce qu'on capte de l'extérieur est un champ gravitationnel fossile.

Passons maintenant aux gravitons. Un champ gravitationnel comme celui-là est statique. Il correspond à l'échange de gravitons virtuels entre les deux corps qui s'attirent. Tout comme un champ électrique statique est un échange de photons virtuels (la lumière ou une onde radio est un échange de photons réels tout comme une onde gravitationnelle serait un échange de gravitons réels. Je ne reviendrai pas sur les discussions techniques entre réel et virtuel physique quantique).

Ce qu'on a donc c'est un échange de gravitons virtuels entre le corps extérieur et l'étoile juste avant son effondrement en trou noir. Non ! Le graviton ne voyage pas dans le passé ! N'oublions pas que pour l'observateur extérieur le trou noir est comme gelé, l'étoile est pour lui toujours en effondrement et l'horizon des événements pas encore formé.

(ne pas déduire de ces raisonnements que l'horizon des événements n'existe pas. C'est faux. Par exemple, si je vois un voyageur approcher de l'horizon et ne jamais le franchir, si j'essaie de le rattraper, à partir d'une certaine limite, c'est trop tard : même en allant à la vitesse de la lumière je ne le rattraperais pas. Je franchirais l'horizon avant).

Aller au-delà de cette dualité, champ gravitationnel versus gravitons, est dangereux pour les raisons citées plus haut. La théorie naive du graviton ne marche pas et personne n'a encore réussi à trouver "la" bonne théorie de la gravité quantique.

Une création de paire de graviton virtuels, dont un des deux deviendrait réel par le jeu des forces de marées crées par ??? Le graviton ?

Ca c'est plutôt un effet de type "rayonnement de Hawking". Je suppose que si le graviton existe, le rayonnement de Hawking doit contenir une composante gravitons. Je n'en suis pas sûr.

Là on aurait interaction du graviton avec lui-même pour se créer ??

Ca n'intervient pas directement dans les effets cités plus haut mais, en effet, le graviton interagirait avec lui-même (c'est une des raisons des difficultés citées plus haut. Les calculs conduisent tout le temps à une infinité de gravitons, ce qui est ennuyant ).

C'est vrai aussi de la gravité classique. En relativité générale, le champ gravitationnel porte lui-même une certaine quantité d'énergie et donc engendre des effets gravitationnels. Cela se traduit par le fait que les équations d'Einstein sont non linéaires (donc compliquées à résoudre). En théorie, si on pouvait concentrer des ondes gravitationnelles en un endroit on pourrait créer un trou noir fait uniquement d'ondes gravitationnelles !!!!!

J'espère que c'est plus clair (même si tu touches là clairement aux limites de ce qu'on sait )

[Gilgamesh]

Une discussion pour aller plus loin :

Etude des gravitons

a+

[dragounet]

Salut Deedee81,

Merci beaucoup de cette réponse détaillée comme à ton habitude.

Comme Gilgamesh n'a pas dit mot de tes commentaires, il consent.

[A voir en vidéo sur Futura]

[papy-alain]

Finalement, je me pose une question basique : est il permis de penser que le graviton puisse être l'élément le plus petit et le plus simple de la matière, constitué d'une seule corde ?

[dragounet]

Finalement, je me pose une question basique : est il permis de penser que le graviton pourrait être l'élément le plus petit et le plus simple de la matière, constitué d'une seule corde ?

Ce serait logique.

[Deedee81]

Salut,

Finalement, je me pose une question basique : est il permis de penser que le graviton puisse être l'élément le plus petit et le plus simple de la matière, constitué d'une seule corde ?

En théorie des cordes, toutes les particules (non composites) sont constituées d'une seule corde.

Les particules se distinguant notamment par les états de vibration des cordes.

Il se fait que la corde fermée dans l'état de base a les propriétés du graviton (masse nulle et spin 2). C'est le cas "le plus simple", au moins d'un certain point de vue. Vu de cette manière tu as visé juste

A condition d'accepter la théories des cordes, of course.

Pour une théorie quantique des champs, le graviton est juste un boson de jauge. Une particule élémentaire véhiculant une interaction. Au même titre et sur le même pied d'égalité que le photon, les bosons intermédiaires W,Z et les gluons.

[papy-alain]

En théorie des cordes, toutes les particules (non composites) sont constituées d'une seule corde.

C'est vrai, je l'avais oublié.

Mais en cherchant une réponse à cette question...

Si les gravitons existaient et allait à C, ils ne pourraient pas sortir du trou noir, donc ils seraient créés sur l’horizon des événements.
Par quel mécanisme ?

... je me disais que dans la théorie des cordes, le graviton a la possibilité de se déplacer dans l’espace-temps complet, dont la brane ne représente qu’un sous-espace.

[Deedee81]

... je me disais que dans la théorie des cordes, le graviton a la possibilité de se déplacer dans l’espace-temps complet, dont la brane ne représente qu’un sous-espace.

En fait, je sais pas trop comment se manifeste la gravité d'un TN en théorie des cordes.

Si un cordiste passe par là....

(je viens d'avoir une vision idiote : un cordiste passe, on lance une corde et hop, capturé au lasso pour l'interroger )

[papy-alain]

En fait, je sais pas trop comment se manifeste la gravité d'un TN en théorie des cordes.

Si un cordiste passe par là....

(je viens d'avoir une vision idiote : un cordiste passe, on lance une corde et hop, capturé au lasso pour l'interroger )

J'ai comme l'impression que tu n'y crois pas trop, à la théorie des cordes. Trop spéculatif ?

[invite2a75fe42]

J'ai comme l'impression que tu n'y crois pas trop, à la théorie des cordes. Trop spéculatif ?

Je ne sais pas trop quoi penser de la théorie des cordes aussi. Bien entendu, ayant 16(terminale) ans il est fort probable que je manque de connaissances , mais de ce que j'ai cru comprendre, cette théorie que l'on devrait plutôt appeler hypothèse est absolument invérifiable.

[Deedee81]

J'ai comme l'impression que tu n'y crois pas trop, à la théorie des cordes. Trop spéculatif ?

Je ne suis pas fan de cette approche (ce qui explique aussi que je n'en connais que les bases). Je préfère l'approche de la gravitation quantique à boucles.

Ce n'est pas trop le coté spéculatif qui m'ennuie (à condition d'en être bien conscient). Après tout, les théories, avant de les vérifier, faut bien les écrire

[dragounet]

Connaissez-vous:

[Deedee81]

Connaissez-vous:

En attendant de voir l'image, je n'ai pas lu son livre, mais j'ai lus quelques uns de ses articles de recherche.

Excellent.

[papy-alain]

Je préfère l'approche de la gravitation quantique à boucles.

Ca, c'est un peu ce qu'Einstein a cherché jusqu'à son dernier souffle, non ?

[Gilgamesh]

Salut Deedee81,

Merci beaucoup de cette réponse détaillée comme à ton habitude.

Comme Gilgamesh n'a pas dit mot de tes commentaires, il consent.

Je ne saurais dire jusqu'à quel point l'idée de champs gravitationnel fossile se défend formellement (cad si elle peut être convertie de manière rigoureuse en équations).

Une chose est sûre c'est que la description de la gravité sous forme d'échange de particules virtuelles des spin 2 (gravitons) et l'explication sous forme de courbure sont concordantes (Feynman a produit une leçon sur la gravitation pour montrer la cohérence des deux formalismes) alors que la traduction phénoménologique ("avec les mains") de ces deux approches semble disjointe.

Sinon j'ai beaucoup apprécier la lecture de Smolin et comme Deedee, je conseille

Sans faire parler les morts, mais en toutes hypothèses, Einstein aurait préféré l'approche dite canonique illustrée par la gravité quantique en boucles.

a+

[Castitatis]

Ca n'intervient pas directement dans les effets cités plus haut mais, en effet, le graviton interagirait avec lui-même (c'est une des raisons des difficultés citées plus haut. Les calculs conduisent tout le temps à une infinité de gravitons, ce qui est ennuyant ).

est ce que si les particules avaient une sorte de charge qui les rendait sensible au graviton mais que le graviton ne possède pas, ça pourrait régler certaines choses ou pas??

[Deedee81]

Salut,

Ca, c'est un peu ce qu'Einstein a cherché jusqu'à son dernier souffle, non ?

Sa fameuse "théorie unitaire du champ" ?

Je ne suis pas sûr. Mais je ne connais pas bien l'approche qu'Einstein cherchait à explorer.

La gravitation quantique à boucles c'est plutôt un cadre général. Ce n'est pas une théorie unifiée à proprement parler. C'est une quantification de l'espace-temps, un cadre quantique pour toute théorie covariante générale. On peut étudier toutes sortes de choses dans ce cadre (par exemple, on peut avoir une formulation "à boucles" de l'électromagnétisme, des théories avec supersymétrie, etc.... ArXiv a plein d'articles sur ce sujet).

Lorsque l'on quantifie les équations d'Einstein, on a un résultat désagréable. Du fait que l'hamiltonien de la relativité générale est un hamiltonien de contrainte, une fois quantifié, le temps disparait de l'équation. C'est la fameuse équation de Wheeler-DeWitt.

De fait, personne ne sait comment résoudre cette équation. Une équation qui agit globalement, sans pouvoir découper en étapes avec une coordonnées temporelles, sur un espace d'états très complexe dont personne ne connait réellement la structure (ce qu'on appelle le super espace et qu'on pourrait voir grossièrement comme l'ensemble des variétés riemanienne à trois dimensions). Les approches sélectionnait arbitrairement un espace plus petit (approche dites du mini super espace) me semblent fort artificielles.

L'astuce (Ashtekar) fut de trouver une reformulation de la relativité générale qui donnait une équation abordable. D'autres améliorations et solutions furent apportées par d'autres scientifiques (Lewandowsky, Rovelli,...) Jusqu'à la formulation actuelle qui est utilisable.

est ce que si les particules avaient une sorte de charge qui les rendait sensible au graviton mais que le graviton ne possède pas, ça pourrait régler certaines choses ou pas??

Probablement.

Il existe des tas de manière de résoudre les difficultés de la gravitation quantique. Il "suffit" de modifier son comportement à petite échelle du moment qu'à grande échelle on retrouve la RG.

C'est pour ça qu'il existe des tas de théories : gravitation quantique à boucles, théorie des cordes, géométries non commutatives, supergravité, théories avec lagrangien effectif, etc....

La difficulté maintenant : trouver des expériences qui donnent des résultats qui vont au-delà de nos théories (Modèle Standard de la physique des particules, RG,...). Afin de pouvoir trancher dans le vifs de toutes ces théories spéculatives.

Il y a toujours un truc qui m'a beaucoup amusé c'est quand je vois ceux qui proposent toutes sortes de théories (souvent limite farfelues) "révolutionnaires" en physique ou en cosmologie. Et je ne parle pas que des quelques cocos qu'on voit parfois ici. Ils ne se rendent pas compte que là n'est pas le problème. Des théories on en a déjà, et même beaucoup trop. Ajouter une théorie en plus ne résoud rien. Ce qui nous manque ce n'est pas des théories mais des données expérimentales. Et jusqu'ici il semble difficile de deviner d'où viendra la lumière (le LHC apportera peut-être quelques pistes, peut-être, seulement peut-être).

Curieuse situation inverse de la fin du dix-neuvième siècle. A cette époque, ils pensaient avoir tout compris ou peu s'en faux. Qu'il faudrait juste rafiner quelques aspects dans les théories pour expliquer l'effet photoélectrique, le corps noir, la radioactivité, les résultats négatifs sur l'éther . Vingt ans plus tard tout était boulversé.

Actuellement, c'est l'inverse. On sait que nos théories sont approximatives et incomplètes. Mais on manque de résultats expérimentaux.

[nouti]

Pour un observateur extérieur, le trou noir est comme "gelé".

Il en est ainsi aussi de son champ gravitationnel. Pour un observateur extérieur, le champ gravitationnel est le champ gravitationnel de l'étoile juste avant qu'elle ne devienne un trou noir (et de tout ce qui a pu tomber dedans par après, y compris notre pauvre voyageur).

Ce qu'on capte de l'extérieur est un champ gravitationnel fossile.

Bonjour ^^

Qu'entendez vous par champ gravitationnel fossile ?

Vous dites bien que le champ mesuré par l'observateur extérieur est celui de l'étoile gelée et pas celui du TN correspondant ?

Puisque l'étoile gelée n'est qu'une illusion et que le TN n'est pas une chimère, comment cette illusion peut-elle avoir un effet aussi réel et manifeste sur cet observateur ?

[Deedee81]

Salut,

Qu'entendez vous par champ gravitationnel fossile ?

Le champ gravitationnel autour du trou noir. Fossile car c'est en fait le champ gravitationnel de l'étoile qui a formé le trou noir.

Vous dites bien que le champ mesuré par l'observateur extérieur est celui de l'étoile gelée et pas celui du TN correspondant ?

Celui de l'étoile qui s'est transformée en TN, pas une étoile gelée (qui est une façon d'interpréter les TN dont je ne raffole pas.... et le pire c'est que j'ai employé ce mot. Dis coups de fouets pour moi, allez hop ).

Il ne faut pas oublier qu'avec un champ gravitationnel aussi intense, on a une dilatation du temps extrême. Pour un observateur extérieur, tout se fige, y compris le champ gravitationnel.

Une autre façon plus précise est sans doute de décrire la déformation extrême de l'espace-temps, avec des diagrammes de style KS, pour montrer que pour l'observateur extérieur et l'étoile en effondrement sont en quelque sorte "au même moment" mais que si on plonge dans le TN alors on passe dans une région de l'espace-temps totalement déconnectée de notre espace-temps (pas de retour possible). Difficile de visualiser mentalement des trucs aussi extrêmes. Tout aussi difficile de mettre des mots "du quotidien" dessus. Pffff

[Zefram Cochrane]

Bonjour,
Il me semblait que l'étoile n'était gelée qu'un temps car il me semble que la singluraté se chargeant en permanence en énergie, rayonnement et matière, le TN grossit en permanence puisque sa masse théorique augmente. donc l'image d'une étoile absorbée par le TN (étoile gelée) finit par disparaître dans le TN.

par ailleurs si le champ de gravitation n'était du qu'à des gravitons qui mettraient un temps infini à remonter, le champ gravitationnelle du TN ne finirait il pas par s'évaporer à l'instar de la lueur du CMB?

[dragounet]

Salut,
Le champ gravitationnel autour du trou noir. Fossile car c'est en fait le champ gravitationnel de l'étoile qui a formé le trou noir.

Salut Deedee81,

Je reviens sur le champ gravitationnel fossile.

Dans le cas de la fusion de 2 trous noirs, comment vois-tu la fusion des 2 champs gravitationnel fossile des "2 étoiles gelées?"

Pour que cela fusionne il faut un dégel, non ?

[Deedee81]

Salut,

Je reviens sur le champ gravitationnel fossile.

Dans le cas de la fusion de 2 trous noirs, comment vois-tu la fusion des 2 champs gravitationnel fossile des "2 étoiles gelées?"

Pour que cela fusionne il faut un dégel, non ?

La gravitation liquide ?

Sans rire :

Ce champ gravitationnel fossile = la géométrie de l'espace-temps autour du TN.
Et lorsqu'ils fusionnent, on a simplement un mélange jusqu'à arriver au résultat final.
C'est hyper complexe, théoriquement incalculable, numériquement difficile, mais l'image de la feuille de caoutchouc est bonne ici. La déformation de la feuille = la déformation de la géométrie de l'espace-temps = le champ fossile. Et lorsque tu as deux déformations qui se rapprochent, bien, bon, c'est pas difficile à visualiser.

Et ça reste "gelé" dans la mesure où un objet près d'un des deux horizons et près de l'horizon final subit toujours une colossale dilatation du temps par rapport à nous.

Par contre, oui, ce n'est pas vraiment le calme plat pendant ce processus. La fusion de deux TN provoque une forte émission d'ondes gravitationnelles.

On n'est clairement plus dans un cas statique.