La tournure surprenante de la théorie des cordes : les trous noirs pourraient être des défauts dans l'espace-temps

Par Paul M. Sutter, Universe Today17 mai 2023

Une équipe de physiciens théoriciens, utilisant la théorie des cordes, a découvert une nouvelle structure dans l’espace-temps connue sous le nom de « soliton topologique ». Ces structures apparaissent aux observateurs extérieurs comme des trous noirs, mais en réalité, ce sont des défauts dans la structure de l’univers, dépourvus de toute matière ou force.

Les physiciens théoriciens ont découvert une nouvelle structure espace-temps appelée « soliton topologique ». Ressemblant à des trous noirs pour les observateurs lointains, ces structures sont en réalité des défauts dans la structure de l'univers, dépourvus d'horizon des événements. Cette découverte pourrait potentiellement aider à valider la théorie des cordes, même si elle n’a pas encore été prouvée.

Une équipe de physiciens théoriciens a découvert une étrange structure dans l'espace-temps qui, pour un observateur extérieur, ressemblerait exactement à un trou noir, mais qui, en y regardant de plus près, serait tout sauf : il s'agirait de défauts dans la structure même de l'univers.

La théorie de la relativité générale d'Einstein prédit l'existence de trous noirs, formés lors de l'effondrement d'étoiles géantes. Mais cette même théorie prédit que leurs centres sont des singularités, qui sont des points d’une densité infinie. Puisque nous savons que des densités infinies ne peuvent réellement se produire dans l’univers, nous considérons cela comme un signe que la théorie d’Einstein est incomplète. Mais après près d’un siècle de recherche d’extensions, nous n’avons pas encore confirmé une meilleure théorie de la gravité.

Vue d'artiste d'un système binaire de trous noirs. Crédit : LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)

Mais nous avons des candidats, notamment la théorie des cordes. Dans la théorie des cordes, toutes les particules de l’univers sont en réalité des boucles de cordes microscopiques vibrantes. Afin de supporter la grande variété de particules et de forces que nous observons dans l’univers, ces cordes ne peuvent pas simplement vibrer dans nos trois dimensions spatiales. Au lieu de cela, il doit y avoir des dimensions spatiales supplémentaires qui sont regroupées sur elles-mêmes en des variétés si petites qu’elles échappent à l’attention et à l’expérimentation quotidiennes.

Cette structure exotique dans l’espace-temps a donné à une équipe de chercheurs les outils dont elle avait besoin pour identifier une nouvelle classe d’objets, ce qu’ils appellent un soliton topologique. Dans leur analyse, ils ont découvert que ces solitons topologiques sont des défauts stables dans l’espace-temps lui-même. Ils ne nécessitent aucune matière ou autre force pour exister – ils sont aussi naturels dans la structure de l’espace-temps que les fissures dans la glace.

Les chercheurs ont étudié ces solitons en examinant le comportement de la lumière qui passerait à proximité d’eux. Parce qu’ils sont des objets d’un espace-temps extrême, ils courbent l’espace et le temps autour d’eux, ce qui affecte le chemin de la lumière. Pour un observateur éloigné, ces solitons apparaîtraient exactement comme nous prévoyons l’apparition des trous noirs. Ils auraient des ombres, des anneaux de lumière, des œuvres. Les images dérivées du télescope Event Horizon et les signatures d’ondes gravitationnelles détectées se comporteraient toutes de la même manière.

It’s only once you got close would you realize that you are not looking at a black holeA black hole is a place in space where the gravitational field is so strong that not even light can escape it. Astronomers classify black holes into three categories by size: miniature, stellar, and supermassive black holes. Miniature black holes could have a mass smaller than our Sun and supermassive black holes could have a mass equivalent to billions of our Sun." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> trou noir. L’une des principales caractéristiques d’un trou noir est son horizon des événements, une surface imaginaire à laquelle vous ne pourriez pas vous échapper si vous le traversiez. Les solitons topologiques, puisqu'ils ne sont pas des singularités, ne présentent pas d'horizons d'événements. Vous pourriez donc en principe vous approcher d'un soliton et le tenir dans votre main, à condition d'avoir survécu à la rencontre.

Ces solitons topologiques sont des objets incroyablement hypothétiques, basés sur notre compréhension de la théorie des cordes, dont il n’a pas encore été prouvé qu’elle constitue une mise à jour viable de notre compréhension de la physique. Cependant, ces objets exotiques servent d’études tests importantes. Si les chercheurs parviennent à découvrir une différence d’observation importante entre les solitons topologiques et les trous noirs traditionnels, cela pourrait ouvrir la voie à la recherche d’un moyen de tester la théorie des cordes elle-même.