TROU BLANC: HISTOIRE, THÉORIE ET COMMENT IL SE FORME - PHYSIQUE - 2025

Le trou blanc est une singularité de l'espace-temps, appartenant aux solutions exactes des équations de la relativité générale. Ces singularités ont ce qu'on appelle un horizon des événements. Cela signifie la présence d'une barrière, qui dans un trou blanc, rien ne peut pénétrer de l'extérieur. Théoriquement, un trou blanc est une singularité qui remonte au passé.

Pour le moment, personne n'a pu en observer. Mais il est possible que nous devons notre existence au plus spécial de tous: le Big Bang d'il y a 13,8 milliards d'années peut être considéré comme un événement causé par un trou blanc supermassif.

Une grande masse comme une planète peut déformer l'espace-temps. Source: Mysid

La théorie de la relativité générale considère que l'espace-temps peut être déformé par l'effet d'accélération ou par la présence d'objets massifs. C'est la même théorie qui a prédit l'existence de trous noirs, dont les trous blancs seraient la contrepartie. Par conséquent, leur existence est considérée comme également possible.

Or, pour former la singularité spatio-temporelle, un mécanisme physique est nécessaire. Dans le cas des trous noirs, la cause est connue pour être l'effondrement gravitationnel d'une étoile supermassive.

Mais le mécanisme physique qui pourrait former une singularité semblable à un trou blanc n'est pas encore connu. Bien que des candidats aient certainement émergé pour expliquer leur éventuelle formation, comme on le verra sous peu.

Différences entre les trous noirs et les trous blancs

Bon nombre des trous noirs connus sont le vestige d'une étoile supergéante qui a subi un effondrement interne.

Lorsque cela se produit, les forces gravitationnelles augmentent à un point tel que rien de ce qui se rapproche ne pourra échapper à son influence, pas même la lumière.

C'est pourquoi les trous noirs sont capables d'avaler tout ce qui y tombe. Au contraire, rien ne pourrait entrer dans un trou blanc, tout en serait rejeté ou repoussé.

L'existence d'un tel objet est-elle possible? Après tout, les trous noirs sont restés longtemps une solution mathématique aux équations de champ d'Einstein, jusqu'à ce qu'ils soient détectés grâce aux effets gravitationnels et de rayonnement qu'ils provoquent dans leur environnement, et récemment photographiés.

En revanche, les trous blancs sont toujours cachés aux cosmologistes, s'ils existent vraiment.

Histoire de sa découverte

La théorie de l'existence des trous blancs est partie des travaux de Karl Schwarzschild (1873-1916), un physicien allemand et le premier à trouver une solution exacte aux équations de champ relativistes d'Albert Einstein.

Pour cela, il a développé un modèle à symétrie sphérique dont les solutions ont des singularités, qui sont précisément les trous noirs et leurs homologues blancs.

Le travail de Schwarzschild n'était pas vraiment populaire, ayant peut-être été publié pendant la Première Guerre mondiale. Il a fallu quelques années à deux physiciens pour le reprendre de manière indépendante dans les années 1960.

En 1965, les mathématiciens Igor Novikov et Yuval Ne'eman ont analysé les solutions de Schwarzschild, mais en utilisant un système de coordonnées différent.

A cette époque, le terme trou blanc n'avait pas encore été inventé. En fait, ils étaient connus sous le nom de «noyaux retardés» et étaient considérés comme instables.

Cependant, étant la contrepartie des trous noirs, les chercheurs ont tenté de trouver un objet physique dont la nature était compatible avec celle prédite pour les trous blancs.

Quasars et trous blancs

Les chercheurs pensaient l'avoir trouvé dans des quasars, les objets les plus brillants de l'Univers. Ceux-ci émettent un flux intense de rayonnement détectable par les radiotélescopes, comme le devrait un trou blanc.

Cependant, l'énergie des quasars a finalement reçu une explication plus réaliste, liée aux trous noirs au centre des galaxies. Et ainsi les trous blancs étaient à nouveau comme des entités mathématiques abstraites.

Ainsi, même s'ils sont connus, les trous blancs ont reçu beaucoup moins d'attention que les trous noirs. Cela est dû non seulement au fait qu'ils sont considérés comme instables, ce qui jette un doute sur leur existence réelle, mais aussi parce qu'il n'y a pas d'hypothèse raisonnable sur leur origine possible.

En revanche, les trous noirs proviennent de l'effondrement gravitationnel des étoiles, un phénomène physique bien documenté.

Découverte possible d'un trou blanc

Les chercheurs sont convaincus qu'ils ont finalement détecté un trou blanc dans un phénomène appelé GRB 060614, survenu en 2006. Ce phénomène a été proposé comme la première apparition documentée d'un trou blanc.

Le GRB 060614 était un sursaut gamma détecté par l'observatoire Swift de Neil Gehrels le 14 juin 2006, avec des propriétés particulières. Il a remis en cause un consensus scientifique antérieur sur les origines des sursauts gamma et des trous noirs.

Le Big Bang, que certains croient être un trou blanc supermassif, peut à son tour avoir été le résultat d'un trou noir supermassif, au cœur d'une galaxie inconnue située dans notre univers parent.

L'une des difficultés à observer un trou blanc est que toute la matière en est expulsée en une seule impulsion. Ainsi, le trou blanc n'a pas la continuité nécessaire pour être observé, tandis que les trous noirs ont suffisamment de persistance pour être vus.

Théorie

Einstein postule que la masse, le temps et la longueur dépendent étroitement de la vitesse du cadre de référence dans lequel ils sont mesurés.

De plus, le temps est considéré comme une autre variable, avec la même signification que les variables spatiales. Ainsi, l'espace-temps est considéré comme une entité dans laquelle tout événement et tous les événements ont lieu.

La matière interagit avec le tissu de l'espace-temps et le modifie. Einstein décrit comment cela se produit avec un ensemble de 10 équations tensorielles, appelées équations de champ.

Quelques concepts importants dans la théorie de la relativité

Les tenseurs sont des entités mathématiques qui permettent de considérer la variable temporelle au même niveau que les variables spatiales. Les vecteurs bien connus tels que la force, la vitesse et l'accélération font partie de cet ensemble élargi d'entités mathématiques.

L'aspect mathématique des équations d'Einstein implique également des concepts tels que la métrique, qui est la distance à la fois dans l'espace et dans le temps qui sépare deux événements infiniment proches.

Deux points de l'espace-temps font partie d'une courbe appelée géodésique. Ces points sont unis par une distance spatio-temporelle. Une telle représentation de l'espace-temps est observée dans la figure suivante:

La forme du cône est déterminée par la vitesse de la lumière c, qui est une constante dans tous les cadres de référence. Tous les événements doivent avoir lieu dans les cônes. S'il y a des événements en dehors d'eux, il n'y a aucun moyen de le savoir, car l'information doit voyager plus vite que la lumière pour être perçue.

Les équations de champ d'Einstein admettent une solution avec deux singularités dans une région vide (c'est-à-dire sans masse). L'une de ces singularités est un trou noir et l'autre est un trou blanc. Pour les deux, il y a un horizon d'événement, qui est une frontière sphérique de rayon fini qui entoure la singularité.

Dans le cas des trous noirs, rien, pas même la lumière, ne peut sortir de cette région. Et dans les trous blancs, l'horizon des événements est une barrière que rien ne peut pénétrer de l'extérieur. La solution du trou noir dans le vide se trouve dans le cône lumineux du futur, tandis que la solution du trou blanc se trouve dans la région passée du cône lumineux.

Les solutions des équations d'Einstein qui incluent un vrai trou noir nécessitent la présence de matière, et dans ce cas la solution qui contient le trou blanc disparaît. Par conséquent, il est conclu qu'en tant que solution mathématique, dans la théorie des solutions singulières sans matière, les trous blancs existent. Mais ce n'est pas le cas lorsque la matière est incluse dans les équations d'Einstein.

Comment se forme un trou blanc?

En 2014, le physicien théoricien Carlo Rovelli et son équipe de l'Université d'Aix-Marseille en France ont proposé que les trous blancs puissent provenir de la mort d'un trou noir.

Déjà dans les années 1970, le principal expert des trous noirs, Stephen Hawking, calculait qu'un trou noir perdait de la masse par l'émission du rayonnement Hawking.

Les calculs de Rovelli et de son équipe indiquent qu'une telle contraction de perte de rayonnement d'un trou noir pourrait, dans sa phase finale, produire un rebond qui crée un trou blanc.

Mais les calculs de Rovelli indiquent également que dans le cas d'un trou noir de masse égale à celle du Soleil, il faudrait environ un quadrillion de fois l'âge actuel de l'Univers pour former un trou blanc.

Trous blancs et matière noire

Une seconde après le Big Bang, les fluctuations de densité dans un Univers en expansion rapide ont pu produire des trous noirs primordiaux (sans la nécessité d'un effondrement stellaire).

Ces trous noirs primordiaux sont nombreux, beaucoup plus petits que ceux d'origine stellaire et peuvent s'évaporer jusqu'à ce qu'ils meurent pour céder la place à un trou blanc à un moment inclus dans la vie de l'Univers.

Les trous blancs microscopiques peuvent être très massifs. Par exemple, une personne de la taille d'un grain de poussière peut avoir une masse plus grande que la Lune.

L'équipe de Rovelli suggère même que ces trous blancs microscopiques peuvent expliquer la matière noire, un autre des mystères cosmologiques les plus importants.

Les trous blancs microscopiques n'émettraient pas de rayonnement; et comme ils sont inférieurs à une longueur d'onde, ils s'avèrent être invisibles. Cela pourrait être une autre raison qui expliquerait pourquoi ils n'ont pas encore été détectés.

Références

1. Battersby, S. 2010. Les trous noirs éternels sont le coffre-fort cosmique ultime. Récupéré de: newscientist.com.
2. Choi, C. 2018. Les trous blancs peuvent être l'ingrédient secret de la mystérieuse matière noire. Récupéré de: space.com.
3. Fraser, C. 2015. Que sont les trous blancs?. Récupéré de: phys.org.
4. Maîtres, Karen. 2015. Qu'est-ce qu'un trou blanc?. Récupéré de curious.astro.cornell.edu
5. Wikiwand. Trou blanc. Récupéré de: wikiwand.com