Existe-t-il des alternatives aux singularités des trous noirs?

[likethat]

Bonjour,

J'ai lu qu'un trou noir était en astre dont la vitesse de libération est supérieur à la vitesse de la lumière. C'est pour cette raison qu'il apparaît noir.

Dans la mesure où la vitesse de libération dépend du champ de gravité de l'astre, plus ce champ de gravité est important, plus la vitesse de libération l'est.

Ainsi, j'ai lu que, pour une étoile à neutron de densité moyenne (dont le champ de gravité est environ 2x10e11 celui de la Terre), la vitesse de libération est approximativement d'1/2 c.

Ma question est la suivante:

Plutôt que de considérer qu'un trou noir est formé d'une singularité aux propriétés infinies (notamment de densité infinie), ne serait-il pas envisageable qu'un trou noir soit un astre simplement plus dense qu'une étoile à neutron (en l’occurrence deux fois plus dense pour obtenir une vitesse de libération égale à c)?

Par exemple, ce que l'on nomme trou noir ne pourrait-il pas être une étoile à quark? Des quarks libres formeraient un astre d'une densité supérieure à celle formée par un amas de neutron, et pourrait donc générer un champ de gravité nécessitant une vitesse de libération supérieur à c.

Je précise qu'il ne s'agit nullement d'un théorie personnelle ou d'un yakafaukon, simplement une interrogation visant à savoir si ce type d'alternative aux trous noirs en tant que singularité existe et est étudié.

Ce que je ne parviens pas à comprendre est pourquoi l'on saute d'une étoile à neutron possédant une densité finie et mesurable, à un trou noir dont la singularité présente une densité infinie, sans évoquer la possibilité d'étapes intermédiaires entre ces deux astres.

Merci
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[Deedee81]

Salut,

Il y a deux aspects à ta question.

Tout d'abord, si on considère la formation de l'horizon des événements. Donc la formation d'un trou noir. Dans ce cas, la singularité est inévitable en relativité générale. C'est même un (joli) théorème : https://en.wikipedia.org/wiki/Penros...arity_theorems (l'article en français est un peu trop court)

Toutefois il semble qu'en gravité quantique une telle singularité ne puisse jamais se former. Il y a un joli théorème aussi autour de ça, dans wikipedia, mais je ne le retrouve pas.
Sinon, intéressant à lire : https://arxiv.org/abs/hep-th/0505144 "Minimum Length from First Principles"

Le deuxième point que tu soulèves est qu'un trou noir pourrait être un corps de masse encore plus dense. C'est l'hypothèse des étoiles gelées déjà discutée ici d'ailleurs.
C'est tout à fait possible qu'il y ait un état encore plus dense que la matière nucléaire et qui nous soit inconnu.

Mais cela n'empêcherait pas la formation d'un trou noir car la densité moyenne d'un trou noir diminue avec sa masse/taille. Et donc même une telle étoile gelée, en accrétant de la matière proche (gaz, etc...) finirait toujours par dépasser le seuil de formation de l'horizon. Et là, fini, les forces de compression sur l'étoile croissent sans limite et finissent vite par briser n'importe quelle état de la matière. Et on revient à la singularité ou pas discutée ci-dessus.

[likethat]

Merci Deedee81 pour ta réponse, complète comme à ton habitude.

Je rebondis sur un point que tu as écris, car il me fait dire que je me suis peut être mal exprimé:

Tu indiques "Le deuxième point que tu soulèves est qu'un trou noir pourrait être un corps de masse encore plus dense".

Pour être bien clair, je pensais à un astre qui soit plus dense qu'une étoile à neutron, mais moins dense que la singularité d'un trou noir (je ne parle pas du trou noir lui même, car sa densité moyenne peut être très faible s'il a une très grande taille).

Autrement dit: s'il existe des étoiles à quarks libres (la théorie ne semble pas les exclure totalement) alors il nous serait impossible de les différencier des trous noirs classiques à singularité, non?

De notre point de vue nous verrions toujours un point noir entouré d'un horizon des événements, mais il nous serait impossible de dire si cet horizon est formé par une singularité, ou par une étoile à quarks libres dont la vitesse de libération serait supérieure à celle de la lumière.

De ce fait, même l'observation directe d'un trou noir ne nous renseignerait pas sur l'astre qui se cache derrière l'horizon des événements, celui-ci pouvant être constitué de toute forme de matière dégénérée suffisamment densifiée pour empêcher la lumière de'échapper à son champ de gravité.

Je ne sais pas si je suis plus clair ainsi.

[Deedee81]

En fait, un trou noir (avec horizon des événements) est essentiellement.... vide. Car toute la matière tombe au centre, quelle que soit la densité de cette matière. L'espace-temps sous l'horizon est formé de trajectoire qui ne mènent que vers le centre. Et donc la force de contraction croit sans limite.

On se retrouve donc avec une singularité...... sauf en gravité quantique où il y aurait semble-t-il une taille minimale et donc pas de singularité (mais même dans ce cas la matière se retrouverait comprimée dans une zone archi minuscule, guère plus grande que la longueur de Planck).

Evidemment, difficile d'aller vérifier sous l'horizon. Et ce qui se passe près de la "quasi" singularité reste assez spéculatif. Par contre on peut être assez confiant de ce qui se passe juste sous l'horizon où les conditions physique (courbure de l'espace-temps) ne sont tout de même pas si extrême (au moins dans un référentiel en chute libre). Au moins pour un trou noir super massif (la courbure de l'espace-temps est plus faible près de l'horizon) les conditions physiques sont du même ordre que les situations physiques bien validées de la relativité générale.

Ce problème de "non observation" existe aussi pour les étoiles à neutrons (bien qu'il n'y ait là pas d'impossibilité de principe). On ignore la nature exact de leur noyau : superfluide de neutrons, neutrons "cristallisés", soupe de quarks, soupe de quarks étranges,... ? Les propriétés de l'étoile à neutrons resteraient quasi inchangées et la théorie ne nous aide pas (calculs en chromodynamique quantique infiniment trop compliqués). Mais on a de bonne chance d'avoir des infos précises avec les fusions d'étoiles à neutrons qu'on sait maintenant prendre sur le vif (grâce à la détection des ondes gravitationnelles). Pour l'intérieur des trous noirs, là, tintin, c'est totalement caché.

On peut même se demander s'il y a un intérêt à savoir comment est l'intérieur d'un trou noir puisque cet intérieur ne peut influencer l'extérieur d'aucune manière. Après tout, pour nous, ce qui compte est l'horizon des événements.

[A voir en vidéo sur Futura]

[papy-alain]

A défaut d'aller voir ce qui se passe dans un TN, la notion même de singularité ne sera jamais que purement théorique.
Je traduis ici une petite mise au point qui m'est apparue sur le wiki anglophone :
<<Les équations Einstein – Yang – Mills – Dirac constituent une approche alternative à l' univers cyclique préconisée par Penrose.
Ils impliquent également que les objets compacts massifs maintenant classés comme trous noirs sont en réalité des étoiles de quark , éventuellement avec des horizons d’événement, mais sans singularités.>>

[mach3]

Autrement dit: s'il existe des étoiles à quarks libres (la théorie ne semble pas les exclure totalement) alors il nous serait impossible de les différencier des trous noirs classiques à singularité, non?

Dès que le rayon d'un astre devient inférieur à son rayon de Schwarzschild, il y a un horizon et c'est un trou noir, par définition. Il n'y a pas d'intermédiaire. Ensuite aucune structure, aussi résistante soit-elle ne peut se maintenir sous l'horizon car les forces de marées y divergent en une durée finie.

Il y a eu beaucoup de sujets sur les trous noirs ces derniers temps, je suggère de les lire. Quelques liens vers les plus récents :

https://forums.futura-sciences.com/a...isons-m87.html
https://forums.futura-sciences.com/a...-sevapore.html
https://forums.futura-sciences.com/a...nucleaire.html
https://forums.futura-sciences.com/a...trou-noir.html
https://forums.futura-sciences.com/a...t-hawking.html
https://forums.futura-sciences.com/a...ous-noirs.html

m@ch3

[mach3]

Un échange (anonymisé et qui ne révèle rien sur qui que ce soit) que j'ai eu en privé il y a quelques temps et qui donne d'autres éléments de réponse :

"Un trou noir est produit par une concentration de masse (ou énergie).
Nous savons que la RG doit être "amendée" puisqu'elle sort de son domaine de validité et conduit à une singularité, fort peu compréhensible en physique.

Cela devrait donc conduire à trouver un point final à cette concentration (effondrement). On parle d'etoile de Planck par exemple. Mais qu'est ce qui exclut la possibilité que cette limite de concentration se produise à Rs+epsilon, stoppant ainsi la création d'un horizon?"

->pas de temps pour une vraie reponse. Un élément de réflexion : qu'elle est la densité moyenne d'un astre de rayon rs+epsilon?

"Je sais que ce n'est pas la densité qui fait un TN mais la masse avec le Rs qui va avec. Pour un TN comme M87* cette densité est très très faible, mais il ne peut pas s'agir justement d'un effondrement stellaire.
Néanmoins dans le cas d'un effondrement stellaire, je ne sais pas s'il peut etre envisageable que la matière se concentre encore longtemps au dela des 1 ou 2 milliards de tonnes / cm3 qui correspondant à un objet guère plus dense qu'une étoile à neutrons?"

->Partons d'une étoile à neutrons qui accrete de la matière. Supposons que sa densité reste constante au fur et à mesure de cette accretion. Comment évolue sa taille par rapport au rayon de Schwarzschild correspondant à sa masse?

"Ok je vois l'idée! RS croit plus vite que le rayon de l'astre avec acrétion! donc au final meme si la densité plafonne, le TN peut malgré tout se former...
Théoriquement n'importe quel astre pourrait devenir un TN seulement par accrétion, l'effondrement ne fait qu'accélérer le processus.
N'est-il pas trompeur alors de mentionner une singularité de densité infinie au centre? Elle n'est pas caractéristique d'un TN du coup... "

->Voilà, stopper l'effondrement avant rs en s'appuyant sur une possible structure de la matière ne tient donc pas debout, sauf à supposer que la densité de l'astre baisse comme par magie quand son rayon augmente afin qu'il reste supérieur à rs.

Les histoires de densité infinie au centre sont souvent du fait de la vulgarisation. Il y a eu un fil il n'y a pas longtemps sur le volume à l'intérieur d'un trou noir.

m@ch3

[Ignatius84]

Evidemment, difficile d'aller vérifier sous l'horizon. Et ce qui se passe près de la "quasi" singularité reste assez spéculatif. Par contre on peut être assez confiant de ce qui se passe juste sous l'horizon où les conditions physique (courbure de l'espace-temps) ne sont tout de même pas si extrême (au moins dans un référentiel en chute libre). Au moins pour un trou noir super massif (la courbure de l'espace-temps est plus faible près de l'horizon) les conditions physiques sont du même ordre que les situations physiques bien validées de la relativité générale.

On peut même se demander s'il y a un intérêt à savoir comment est l'intérieur d'un trou noir puisque cet intérieur ne peut influencer l'extérieur d'aucune manière. Après tout, pour nous, ce qui compte est l'horizon des événements.

Hello tous, d'abord je note que beaucoup de gens (pas que moi donc ) se demandent pourquoi il n'y a pas d'étape intermédiaire, ou juste d'étapes surtout, entre l'étoile à neutron et le trou noir "formé" (c'est "direct" avec le total de la masse en effondrement ? mais que se passe-t-il quand un atome d'hydrogène de plus entre ?).

Bon mais je voulais surtout rebondir sur le passage cité, car ça fait longtemps que je me pose des questions sur l'horizon + epsilon ou - epsilon (ce que j'appelais maladroitement +h dans d'autres posts). Chez Aurélien Barrau, donc en MQ, pour lui carrément lors du rayonnement Hawking la paire de particule considérée est générée "sous" l'horizon, donc "dans l'horizon", ce que je trouvais assez dingue. 1er point.

2ème point tu dis que les conditions physiques ne sont "tout de même pas extrêmes" juste sous l'horizon : j'imagine que tu veux dire sous l'horizon "côté" trou noir, pas de "notre" côté, dans ce cas, qu'entends-tu par "pas extrêmes" ? On est quand même spagghettifié direct, non ? On est dès maintenant irrémédiablement entraîné par une géodésique "folle" désespérément tournée vers le centre, et qui en plus doit se changer en géodésique de genre temps (terme qu'au fond je ne maîtrise pas, et vu que la RG c'est pas avant le master, c'est pas pour demain pour moi ).

3ème et dernier point : dans le cas d'un trou noir supermassif dont le franchissement de l'horizon ne spagghettifie pas. Comment ça se passe ? dans quel état se trouve l'espace-temps à Rs + pas grand-chose (epsilon^2 ) en direction du centre du TN ? On est d'accord que c'est un horizon des événements qui en a toutes les caractéristiques ? Temps qui diverge, espace définitivement tourné vers la singularité ? Dit autrement, qu'est-ce qu'on peut "espérer" (physiquement !) de plus derrière cet horizon +epsilon par rapport à l'horizon des événements des tn stellaires ?

Merci !

[mach3]

L'intensité des forces de marées dépend du tenseur de Riemann. La valeur du tenseur de Riemann (les valeurs de ses composantes plutôt) augmente à mesure le paramètre r diminue et diverge quand r est nul (C'est la singularité ), grosso modo c'est en M/r^3. Les forces de marées au niveau de l'horizon (r=2M) dépendent de la masse du trou noir (grosso modo 1/8M^2). Elles seront négligeable à l'horizon pour les très grand, extrêmement intenses à l'horizon pour les très petits. Ce qui fait que les très petits spaghettifient bien bien avant d'atteindre l'horizon, alors que les très grands ne spaghettifient que bien bien après l'horizon. En clair il n'y a aucun lien entre passage de l'horizon et spaghettification.

m@ch3

[Deedee81]

Salut,

Mach3 ayant répondu à l'essentiel, je précise juste ça.

qu'entends-tu par "pas extrêmes" ?

Des conditions physiques qu'on peut observer (et qui ont été étudiée, mesurée) dans le voisinage d'autres astres (étoiles à neutrons par exemple).

A noter que l'horizon n'est pas un milieu matériel mais juste un lieu géométrique qui en plus ne peut se définir que globalement (par exemple, un observateur en chute libre ne constaterait rien de particulier en passant l'horizon, aussi bien dans son voisinage immédiat qu'en regardant autour de lui. Il y aurait juste une augmentation progressive et continue des forces de marées. Et ce n'est que s'il veut faire demi-tour qu'il va constater un soucis (un méchant soucis ).

C'est pour ça que au moins dans un référentiel en chute libre, les conditions physiques près d'un trou noir, sur l'horizon ou sous l'horizon, peuvent être relativement banales (du moins pour un gros trous noirs comme expliqué par mach3. Et d'ailleurs on a commencé à avoir des images de trous noirs supermassifs mais je pense que ce sera beaucoup plus intéressant le jour où on ira une image en direct d'un trou noir stellaire, par exemple pour analyser le disque d'accrétion. Là on pourra tester la physique dans des conditions que nous ne connaissons pas encore ).

[mach3]

A noter que l'horizon n'est pas un milieu matériel mais juste un lieu géométrique

Et encore, en toute rigueur ce n'est même pas un "lieu" vu que c'est une surface de genre nul.

m@ch3

[Deedee81]

Et encore, en toute rigueur ce n'est même pas un "lieu" vu que c'est une surface de genre nul.

Oui, en effet.