TROU DE VER: HISTOIRE, THÉORIE, TYPES, FORMATION - ARTE - 2024

Un trou de ver, en astrophysique et en cosmologie, est un passage reliant deux points dans le tissu de l'espace-temps. Tout comme la pomme qui tombe a inspiré la théorie de la gravitation d'Isaac Newton en 1687, les vers qui transpercent les pommes ont inspiré de nouvelles théories, également dans le cadre de la gravitation.

Tout comme le ver parvient à atteindre un autre point de la surface de la pomme par un tunnel, les trous de ver spatio-temporels constituent des raccourcis théoriques qui lui permettent de voyager vers des parties éloignées de l'univers en moins de temps.

Trou de ver de l'espace-temps: vision artistique. Source: Pixabay.

C'est une idée qui a capturé et continue de captiver l'imagination de beaucoup. Pendant ce temps, les cosmologistes sont occupés à chercher des moyens de prouver son existence. Mais pour le moment, ils font encore l'objet de spéculations.

Pour mieux comprendre les trous de ver, la possibilité de voyager dans le temps à travers eux et les différences qui existent entre les trous de ver et les trous noirs, il faut se pencher sur le concept d'espace-temps.

Qu'est-ce que l'espace-temps?

Le concept d'espace-temps est étroitement lié à celui de trou de ver. C'est pourquoi il faut d'abord établir ce qu'il est et quelle est sa principale caractéristique.

Spacetime est l'endroit où se produit chaque événement de l'univers. Et l'univers à son tour est la totalité de l'espace-temps, capable de loger toutes les formes d'énergie-matière et plus encore…

Lorsque le marié rencontre la mariée, c'est un événement, mais cet événement a des coordonnées spatiales: le lieu de rencontre. Et une coordonnée horaire: année, mois, jour et heure de la réunion.

La naissance d'une étoile ou l'explosion d'une supernova sont également des événements qui se déroulent dans l'espace-temps.

Or, dans une région de l'univers exempte de masse et d'interactions, l'espace-temps est plat. Cela signifie que deux rayons lumineux qui commencent parallèlement continuent comme ça, tant qu'ils restent dans cette région. Au fait, pour un rayon de lumière, le temps est éternel.

Bien sûr, l'espace-temps n'est pas toujours plat. L'univers contient des objets dont la masse modifie l'espace-temps, provoquant une courbure spatio-temporelle à l'échelle universelle.

C'est Albert Einstein lui-même qui s'est rendu compte, dans un moment d'inspiration qu'il appelait «l'idée la plus heureuse de ma vie», qu'un observateur accéléré est localement indiscernable de celui qui est proche d'un objet massif. C'est le fameux principe d'équivalence.

Et un observateur accéléré plie l'espace-temps, c'est-à-dire que la géométrie euclidienne n'est plus valide. Par conséquent, dans l'environnement d'un objet massif tel qu'une étoile, une planète, une galaxie, un trou noir ou l'univers lui-même, l'espace-temps se plie.

Cette courbure est perçue par les êtres humains comme une force appelée gravité, quotidienne mais mystérieuse à la fois.

La gravité est aussi énigmatique que la force qui nous pousse vers l'avant lorsque le bus dans lequel nous roulons freine brusquement. C'est comme si tout à coup quelque chose d'invisible, sombre et massif, pendant quelques instants s'avançait et nous attirait, nous propulsant soudainement en avant.

Les planètes se déplacent de manière elliptique autour du Soleil car sa masse produit une dépression dans la surface de l'espace-temps qui fait que les planètes courbent leurs trajectoires. Un rayon lumineux courbe également son chemin en suivant la dépression spatio-temporelle produite par le Soleil.

Tunnels à travers l'espace - temps

Si l'espace-temps est une surface courbe, rien n'empêche en principe une zone de se connecter à une autre par un tunnel. Traverser un tel tunnel impliquerait non seulement de changer de place, mais aussi la possibilité d'aller à un autre moment.

Cette idée a inspiré de nombreux livres, séries et films de science-fiction, dont la célèbre série américaine des années 1960 "The Time Tunnel" et plus récemment "Deep Space 9" de la franchise Star Trek et le film de 2014 Interstellar.

L'idée est venue d'Einstein lui-même, qui, cherchant des solutions aux équations de champ de la Relativité Générale, a trouvé avec Nathan Rosen une solution théorique permettant de relier deux régions différentes de l'espace-temps à travers un tunnel fonctionnant comme un raccourci.

Cette solution est connue sous le nom de pont Einstein - Rosen et apparaît dans un ouvrage publié en 1935.

Cependant, le terme «trou de ver» a été utilisé pour la première fois en 1957, grâce aux physiciens théoriciens John Wheeler et Charles Misner dans une publication de cette année. Auparavant, on parlait de «tubes unidimensionnels» pour désigner la même idée.

Plus tard en 1980, Carl Sagan écrivait le roman de science-fiction "Contact", un livre qui a ensuite été transformé en film. Le protagoniste nommé Elly découvre une vie extraterrestre intelligente à 25 mille années-lumière. Carl Sagan voulait qu'Elly se rende là-bas, mais d'une manière scientifiquement crédible.

Voyager à 25 000 années-lumière n'est pas une tâche facile pour un être humain, à moins qu'un raccourci ne soit recherché. Un trou noir ne peut pas être une solution, car à l'approche de la singularité, la gravité différentielle déchirerait l'engin spatial et son équipage.

À la recherche d'autres possibilités, Carl Sagan a consulté l'un des plus grands experts des trous noirs de l'époque: Kip Thorne, qui a commencé à réfléchir à la question et s'est rendu compte que les ponts Einstein-Rosen ou les trous de ver de Wheeler était la solution.

Cependant, Thorne s'est également rendu compte que la solution mathématique était instable, c'est-à-dire que le tunnel s'ouvre, mais peu de temps après, il s'étrangle et disparaît.

L'instabilité des trous de ver

Est-il possible d'utiliser des trous de ver pour parcourir de grandes distances dans l'espace et dans le temps?

Depuis leur invention, les trous de ver ont servi dans de nombreuses intrigues de science-fiction pour emmener leurs protagonistes dans des endroits reculés et expérimenter les paradoxes du temps non linéaire.

Kip Thorne a trouvé deux solutions possibles au problème de l'instabilité des trous de ver:

• Grâce à la mousse dite quantique. À l'échelle de Planck (10 ^-35 m), il existe des fluctuations quantiques capables de relier deux régions de l'espace-temps à travers des microtunnels. Une civilisation hypothétique très avancée pourrait trouver un moyen d'élargir les passages et de les retenir assez longtemps pour qu'un humain passe.
• Matière de masse négative. Selon les estimations publiées en 1990 par Thorne lui-même, d'énormes quantités de cette matière étrangère seraient nécessaires pour garder les extrémités du trou de ver ouvertes.

Ce qui est remarquable à propos de cette dernière solution, c'est qu'à la différence des trous noirs, il n'y a pas de singularité ou de phénomène quantique, et le passage des humains à travers ce type de tunnel serait faisable.

De cette manière, les trous de ver permettraient non seulement de connecter des régions éloignées dans l'espace, mais également de les séparer dans le temps. Ce sont donc des machines à voyager dans le temps.

Stephen Hawking, la grande référence en cosmologie à la fin du XXe siècle, ne croyait pas que les trous de ver ou les machines à remonter le temps étaient réalisables, en raison des nombreux paradoxes et contradictions qui en découlent.

Cela n'a pas atténué l'esprit d'autres chercheurs, qui ont suggéré la possibilité que deux trous noirs dans différentes zones de l'espace-temps soient connectés en interne par un trou de ver.

Bien que cela ne soit pas pratique pour les voyages spatio-temporels, car mis à part les tribulations qu'apporterait la singularité du trou noir, il n'y aurait aucune possibilité de sortir par l'autre extrémité, puisqu'il s'agit d'un autre trou noir.

Différences entre les trous noirs et les trous de ver

Lorsque vous parlez d'un trou de ver, vous pensez aussi immédiatement aux trous noirs.

Un trou noir se forme naturellement, après l'évolution et la mort d'une étoile qui a une certaine masse critique.

Il survient après que l'étoile a épuisé son combustible nucléaire et commence à se contracter de manière irréversible en raison de sa propre force gravitationnelle. Il se poursuit sans relâche jusqu'à ce qu'il provoque un tel effondrement que rien de plus proche que le rayon de l'horizon des événements ne peut s'échapper, pas même la lumière.

Par comparaison, un trou de ver est une occurrence rare, conséquence d'une hypothétique anomalie de la courbure de l'espace-temps. En théorie, il est possible de les parcourir.

Cependant, si quelqu'un essayait de passer à travers un trou noir, la gravité intense et le rayonnement extrême au voisinage immédiat de la singularité le transformeraient en un mince filet de particules subatomiques.

Il existe des preuves indirectes et très récentes de l'existence de trous noirs. Parmi ces preuves figurent l'émission et la détection d'ondes gravitationnelles par l'attraction et la rotation de deux trous noirs colossaux, détectés par l'observatoire des ondes gravitationnelles LIGO.

Il existe des preuves qu'un trou noir super massif existe au centre de grandes galaxies, comme notre Voie lactée.

La rotation rapide des étoiles près du centre, ainsi que l'énorme quantité de rayonnement haute fréquence qui en émane, sont des preuves indirectes de l'existence d'un énorme trou noir qui explique la présence de ces phénomènes.

C'est juste le 10 avril 2019 que le monde a vu la première photographie d'un trou noir supermassif (7 milliards de fois la masse du Soleil), situé dans une galaxie très lointaine: Messier 87 dans la constellation de la Vierge, à 55 millions années-lumière de la Terre.

Cette photographie d'un trou noir a été rendue possible grâce au réseau mondial de télescopes, appelé «Event Horizon Telescope», avec la participation de plus de 200 scientifiques du monde entier.

En revanche, il n'y a aucune preuve de trous de ver à ce jour. Les scientifiques ont pu détecter et suivre un trou noir, mais la même chose n'a pas été possible avec les trous de ver.

Ce sont donc des objets hypothétiques, bien que théoriquement réalisables, comme l'étaient autrefois les trous noirs.

Variété / types de trous de ver

Bien qu'ils n'aient pas encore été détectés, ou peut-être précisément à cause de cela, différentes possibilités de trous de ver ont été imaginées. Ils sont tous théoriquement réalisables, car ils satisfont les équations d'Einstein pour la relativité générale. Voilà quelque:

• Des trous de ver qui connectent deux régions spatio-temporelles du même univers.
• Les trous de ver capables de connecter un univers avec un autre univers.
• Les ponts Einstein-Rosen, dans lesquels la matière pouvait passer d'une ouverture à l'autre. Bien que ce passage de matière entraînerait une instabilité, provoquant l'effondrement du tunnel sur lui-même.
• Le trou de ver de Kip Thorne, avec une coquille sphérique de matière de masse négative. Il est stable et traversable dans les deux sens.
• Le soi-disant trou de ver Schwarzschild, composé de deux trous noirs statiques connectés. Ils ne sont pas traversables, car la matière et la lumière sont piégées entre les deux extrêmes.
• Trous de ver chargés et / ou rotatifs ou Kerr, constitués de deux trous noirs dynamiques connectés en interne, traversables dans une seule direction.
• Mousse quantique de l'espace-temps, dont l'existence est théorisée au niveau subatomique. La mousse est constituée de tunnels subatomiques hautement instables qui relient différentes zones. Pour les stabiliser et les étendre, il faudrait créer un plasma quark-gluon, dont la production nécessiterait une quantité d'énergie presque infinie.
• Plus récemment, grâce à la théorie des cordes, des trous de ver supportés par des cordes cosmiques ont été théorisés.
• Trous noirs entrelacés puis séparés, d'où surgit un trou spatio-temporel, ou pont Einstein-Rosen qui est maintenu ensemble par la gravité. C'est une solution théorique proposée en septembre 2013 par les physiciens Juan Maldacena et Leonard Susskind.

Ils sont tous parfaitement possibles, car ils ne sont pas contradictoires avec les équations de relativité générale d'Einstein.

Des trous de ver seront-ils jamais vus?

Pendant longtemps, les trous noirs ont été des solutions théoriques aux équations d'Einstein. Einstein lui-même a remis en question la possibilité qu'ils puissent jamais être détectés par l'humanité.

Albert Einstein (1879-1955), auteur de la théorie de la relativité. Source: Pixabay.

Ainsi, pendant longtemps, les trous noirs sont restés une prédiction théorique, jusqu'à ce qu'ils soient trouvés et localisés. Les scientifiques ont le même espoir pour les trous de ver.

Il est très possible qu'ils soient également là, mais on n'a pas encore appris à les localiser. Bien que selon une publication très récente, les trous de ver laisseraient des traces et des ombres observables même avec des télescopes.

On pense que les photons voyagent autour du trou de ver, générant un anneau lumineux. Les photons les plus proches tombent à l'intérieur et laissent derrière eux une ombre qui leur permettra de se différencier des trous noirs.

Selon Rajibul Shaikh, physicien à l'Institut Tata pour la recherche fondamentale à Mumbai en Inde, un type de trou de ver rotatif produirait une ombre plus grande et déformée que celle d'un trou noir.

Dans son travail, Shaikh a étudié les ombres théoriques projetées par une certaine classe de trous de ver en rotation, en se concentrant sur le rôle crucial du trou de la gorge dans la formation d'une ombre de photon qui lui permet d'être identifiée et différenciée d'un trou noir.

Shaikh a également analysé la dépendance de l'ombre sur la rotation du trou de ver et l'a également comparée à l'ombre projetée par un trou noir de Kerr en rotation, trouvant des différences significatives. C'est un travail complètement théorique.

En dehors de cela, pour le moment, les trous de ver restent des abstractions mathématiques, mais il est possible que certains soient repérés très prochainement. Ce qui se trouve à l'autre extrême fait encore l'objet de conjectures pour le moment.

Références

1. L'intrication quantique peut donner lieu à la gravité. Tiré de Cienciaaldia.com
2. Progress of Physics, Vol 61, Numéro de septembre 2013 Pages 781-811
3. Trou de ver. Tiré de wikipedia.org
4. Espace-temps. Tiré de wikipedia.org.
5. David Nield (2018). Un nouveau papier fou suggère que les trous de ver projettent des ombres que nous pourrions facilement voir avec des télescopes. Tiré de sciencealert.com