Théorie sur les trous noirs

[matisse]

Bonjour à tous ! ceci est mon premier poste (je ne sais pas si c'est le bon endroit mais je pense que oui !)
J'aimerais vous exposé ma théorie sur les troue noir est vérifier avec votre aide si c'est plausible ou pas et débattre en connaissant votre avis sur le sujet !
J'aimerais aussi savoir à quel endroit mon raisonnement est incompatible avec la physique actuelle.

Selon la relativité générale, lorsqu'une étoile s'effondre en trou noir, la matière est censée continuer à s'effondrer jusqu'à une singularité, c'est-à-dire un point où la densité et la courbure de l'espace-temps deviennent infinies. Mathématiquement, cela signifie que certaines grandeurs tendent vers l'infini, ce qui laisse penser que la théorie atteint sa limite plutôt que de décrire une réalité physique complète.

Mon hypothèse est la suivante :

À l'intérieur du trou noir, la gravité est tellement intense que la dilatation du temps devient extrême. Je me demande si cette dilatation pourrait être telle que, d'une certaine manière, la matière n'aurait jamais le "temps" d'atteindre un état final. Autrement dit, elle resterait confinée dans une phase de compression extrême pendant toute la durée de vie du trou noir.

Lorsque le trou noir finirait par disparaître (par exemple via le rayonnement de Hawking), est-il envisageable qu'une partie de cette énergie ou de cette matière soit libérée d'une manière encore inconnue, plutôt que d'avoir totalement disparu dans une singularité ?

Je ne prétends pas que cette idée soit correcte. J'essaie simplement de comprendre si ce raisonnement est déjà exclu par la relativité générale, la mécanique quantique ou par des travaux récents sur les trous noirs (étoiles de Planck, gravastars, paradoxe de l'information, etc.).

À quel moment précis ce raisonnement cesse-t-il d'être compatible avec la physique actuelle ?

Merci d'avance !
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[Paraboloide_Hyperbolique]

Bonjour,

Votre hypothèse n'est pas neuve et il existe diverses variations de celles-ci en fonction de la théorie (spéculative) considérée (théorie des cordes, théorie de la géométrie non-commutative, etc.)

Le post #10 de Gilgamesh détaille cela dans le cadre de la gravité quantique à boucles avec des références pour aller plus loin.

[ThM55]

En relativité générale classique, le ralentissement temporel est relatif à un observateur. Imaginons deux observateurs, l'un reste à l'extérieur du trou noir, à distance suffisante pour y rester sur une orbite stable, et l'autre tombe dans le trou noir. Si l'observateur extérieur au trou noir observe celui-ci, il voit le décalage spectrale infini déjà sur l'horizon des événements, donc avant que l'autre observateur n'entre dans le trou noir. Mais cet observateur en chute libre, lui, se voit franchir l'horizon en un temps fini et atteint la singularité en un temps fini également. Cet exemple extrême montre bien qu'il n'y a pas de temps universel, le temps est propre à chaque observateur. Cependant, cette analyse se fait dans le cadre d'hypothèses précises: espace-temps avec régions asymptotiques (par exemple asymptotiquement plat, Minkowskien), physique non quantique (pas de champ quantique présent, donc pas d'évaporation de Hawking), principe d'équivalence strict (pour l'observateur en chute libre le passage de l'horizon n'a rien de particulier localement), gravitation classique décrite par une géométrie de (pseudo-)Riemann.

Mais des questions se posent dès qu'on fait des hypothèses sur les effets quantiques. Il y a bien une tension entre l'unitarité de la théorie quantique et la relativité générale semi-classique. Les questions relatives à l'unitarité et à l'intrication dans les champs quantiques ont donné lieu à des controverses. Comme on n'a pas de théorie complète, les diverses hypothèses faites par certains, donnant lieu à des effets (par exemple le "firewall" AMPS), sont contestées par d'autres (par exemple le ER=EPR de Susskind) et on n'a pas vraiment de conclusion. Si on veut faire une théorie meilleure sur les trous noirs, il faudra bien résoudre ces questions et ce n'est pas du tout facile. Il faut noter que ces questions sont hors de portée expérimentale, même si certains pensent en faire des variantes à échelle humaine, qui à mon avis ne sont que des simulations par analogie.

Il y a une vingtaine d'années, Leonard Susskind avait publié un livre de vulgarisation sur le sujet: https://www.amazon.com/Trous-noirs-s...s=books&sr=1-1

[Gilgamesh]

Pour préciser encore, ce qui pose un problème est là :

Je me demande si cette dilatation pourrait être telle que, d’une certaine manière, la matière n’aurait jamais le « temps » d’atteindre un état final. Autrement dit, elle resterait confinée dans une phase de compression extrême pendant toute la durée de vie du trou noir.

Pour la matière elle-même, qui est en chute libre, ce qui lui arrive se produit par définition dans son temps propre, et c’est la chose la plus universelle qui soit. Si on décide de se faire cuire un œuf à la coque après le passage de l’horizon, cela durera exactement 3 minutes, comme partout ailleurs dans l’univers (bon, il faut un trou noir d’au moins 10 millions de masses solaires pour que la cuisson s’achève avant d’atteindre la singularité). Comme précisé par ThM55, c’est pour l’observateur extérieur que les durées mesurées s’allongent.

[A voir en vidéo sur Futura]

[matisse]

Merci pour cette réponse très détaillée.

Si je comprends bien, l'erreur dans mon raisonnement est que je mélange le point de vue de l'observateur extérieur avec celui de l'observateur en chute libre.

Ce qui me faisait réfléchir, c'est justement cette différence de perception du temps. Vu de l'extérieur, on a l'impression que tout "se fige" à proximité de l'horizon, alors que pour l'observateur qui tombe, le passage de l'horizon et l'arrivée vers la singularité se font en un temps propre fini.

Ma question était de savoir si cette différence pouvait avoir des conséquences physiques plus profondes, notamment lorsque l'on prend en compte les effets quantiques. Je me demandais s'il était envisageable que la matière ne soit pas décrite correctement par la singularité classique et que celle-ci soit remplacée par une autre structure encore inconnue.

En lisant votre réponse, j'ai l'impression que c'est justement là que se situe la frontière de nos connaissances actuelles : la relativité générale décrit très bien le trou noir classique, mais dès qu'on cherche à concilier cette description avec la mécanique quantique (information, évaporation de Hawking, unitarité...), il n'existe pas encore de consensus.

Je vais regarder les travaux de Susskind ainsi que les différentes approches (ER=EPR, firewall, etc.), car c'est précisément cette zone d'incertitude qui m'intéresse.

Merci également pour la référence du livre.

[matisse]

Merci pour cette précision, je comprends mieux le point qui posait problème.

La question qui m'intéresse alors n'est plus vraiment "la matière manque-t-elle de temps pour atteindre la singularité ?", mais plutôt : "est-ce que la singularité représente réellement un état physique final, ou seulement une limite mathématique de la relativité générale ?"

Car c'est cette deuxième question qui me semble fascinante : si les équations prédisent une densité infinie, est-ce que cela signifie qu'une infinité existe réellement dans la nature, ou simplement que notre modèle cesse d'être valable dans ce régime extrême ?

Merci en tout cas pour vos explications, c'est justement ce genre de discussion qui permet de mieux comprendre où se situent les limites actuelles de la physique.

[coussin]

Il y a bien la notion de censure cosmique...
https://fr.wikipedia.org/wiki/Censure_cosmique

Si cette hypothèse est vérifiée, les singularités sont seulement mathématiques car aucun processus physique ne peut donner lieu à une singularité nue.

[oualos]

Car c'est cette deuxième question qui me semble fascinante : si les équations prédisent une densité infinie, est-ce que cela signifie qu'une infinité existe réellement dans la nature, ou simplement que notre modèle cesse d'être valable dans ce régime extrême ?

Il y a une théorie fort spéculative (!) qui permet d'éviter l'infini.
Supposons que la singularité du Big Bang et celle du TN soit la même, du même ordre: supposons que l'univers soit né d'un trou blanc. Si la singularité du TN atteint une certaine masse critique elle donnerait naissance à un trou blanc d'où surgirait un autre univers.
En attendant ce seuil fatidique, la singularité essaierait d'émettre un trou blanc mais comme il n'est pas assez puissant, celui-ci serait rattrapé en son centre d'où un phénomène d'oscillation: mais pas d'infini en son centre.
Si vous jugez cette hypothèse trop personnelle voire farfelue (!), vous pouvez l'ôter du forum bien évidemment: cette hypothèse est juste pour se débarrasser de l'infini au centre du TN

[ThM55]

Sans faire intervenir de grandes spéculations et sans envisager des modifications de la relativité générale, on peut s'en tenir à une hypothèse raisonnable et qui est partagée par la majorité des physiciens (mais pas tous): celle qui dit que le champ de gravitation doit être quantifié comme tous les autres champs. Dans ce cas, dès qu'une structure est comprimée jusqu'à atteindre la longueur de Planck, donc avant que les invariants de la courbure ne deviennent infinis, les fluctuations quantiques du champ de gravitation ne peuvent plus être négligées et la géométrie de l'espace dans une telle région n'est plus du tout ce qu'elle est classiquement. On ne sait pas comment formuler cela de manière certaine, bien qu'il existe des idées concurrentes (vous avez entendu parler de cordes, de gravité quantique à boucles, d'holographie...), mais la conclusion est que la singularité n'a sans doute plus d'existence dans un tel régime.

Il est aussi possible que la relativité générale doive être modifiée déjà dans le domaine classique où les effets quantiques sont encore négligeables, et il y a pléthore de telles théories dans la littérature scientifique (lagrangien f(R), gravité unimodulaire, Einstein-Cartan, gravité massive, etc... un tour sur Arxiv permet de découvrir des milliers d'articles dans cette veine). Et certaines peuvent effectivement résoudre la singularité. Mais aucune ne peut s'imposer pour l'instant pour des raisons expérimentales ou d'observation et en général elles sont, elles aussi, justiciable des modifications apportées par l'hypothèse quantique ci-dessus.

[Gilgamesh]

Pour l'explication de ER = EPR, je conseille les cours de Susskind à Stanford (in english)


Leonard Susskind | "ER = EPR" or "What's Behind the Horizons of Black Holes?" - 1 of 2
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