Depuis des décennies, les physiciens admettaient que l’intérieur de tout trou noir contenait nécessairement une singularité — ce point où les lois de la physique s’effondrent. Un chercheur de l’Institut de physique théorique de Francfort vient de publier dans Physical Review Letters une étude qui remet en cause cette certitude : la combinaison du rayonnement de Hawking et de la répulsion électromagnétique pourrait empêcher ces singularités de se former.

Ce que vous allez apprendre

• Ce qu’est une singularité de trou noir et pourquoi son existence pose un problème fondamental à la physique
• Comment deux effets considérés séparément comme trop faibles peuvent, combinés, changer la structure interne d’un trou noir
• Pourquoi cette découverte suggère qu’on n’a peut-être pas besoin d’une théorie de gravité quantique complète pour résoudre ce problème

Le problème que la physique ne voulait pas regarder en face

À l’intérieur d’un trou noir, la relativité générale prédit l’existence d’une singularité — un point où la densité et la courbure de l’espace-temps deviennent infinies, où la matière est comprimée dans un espace infiniment petit, où les lois de la physique cessent simplement de fonctionner.

Ce n’est pas une description satisfaisante. C’est une rupture. Un aveu que notre compréhension de l’univers atteint ses limites.

Depuis le théorème de singularité de Roger Penrose — qui lui a valu le prix Nobel en 2020 — les physiciens ont accepté cette rupture comme inévitable, en espérant qu’une future théorie de gravité quantique viendrait un jour la résoudre.

Francesco Di Filippo, de l’Institut de physique théorique de Francfort, suggère qu’on n’a peut-être pas à attendre si longtemps.

Deux effets faibles qui deviennent forts ensemble

Le raisonnement de Di Filippo repose sur une combinaison inattendue de deux phénomènes connus.

Le premier est le rayonnement de Hawking — le processus quantique par lequel les trous noirs perdent lentement de la masse et de l’énergie en émettant des particules. Cet effet existe, mais il est généralement considéré comme beaucoup trop faible pour contrecarrer la formation d’une singularité.

Le second est la répulsion électromagnétique présente dans les trous noirs chargés électriquement. Cette force s’oppose à l’effondrement gravitationnel — mais là encore, seule, elle ne suffit pas.

Ce que Di Filippo a découvert en étudiant des diagrammes de Penrose — ces représentations compressées de l’espace-temps qui condensent toute l’histoire de l’univers sur une seule page — c’est qu’un argument classique justifiant l’inévitabilité des singularités ne tient plus lorsque ces deux effets agissent simultanément.

« Ni la répulsion électromagnétique ni l’évaporation de Hawking ne pourraient, à elles seules, empêcher la rupture de la prévisibilité, mais leur combinaison pourrait y parvenir« , explique Di Filippo.

Crédit : Francesco Di Filippo

Différents scénarios possibles pour le point final de l’effondrement gravitationnel : (a) formation d’un résidu extrême en un temps fini ; (b) formation asymptotique d’un trou noir extrême ; (c) évaporation complète en un temps fini ; (d) évaporation complète en un temps infini ; (e) formation d’un résidu sans horizon. Parmi ces cinq scénarios, les deux premiers conduisent à la formation d’un horizon de Cauchy et donc à une rupture de la prévisibilité, tandis que les autres aboutissent à un espace-temps régulier sans horizon de Cauchy.

Une bonne nouvelle pour la physique : pas besoin de tout reconstruire

L’implication la plus surprenante de cette étude ne concerne pas les trous noirs eux-mêmes — elle concerne l’état de nos théories.

Jusqu’ici, la résolution du problème des singularités était considérée comme un défi réservé à une future théorie complète de gravité quantique — une physique que nous n’avons pas encore. Un chantier d’une génération.

Di Filippo suggère que ce n’est peut-être pas nécessaire. Le cadre existant — où la matière est traitée de manière quantique tandis que l’espace-temps reste classique — pourrait suffire.

« Cela signifie que la résolution des pathologies internes des trous noirs pourrait ne pas nécessiter une théorie complète de la gravité quantique« , précise-t-il. Une conclusion que lui-même n’anticipait pas.

Ce qui reste à faire

Di Filippo est le premier à tempérer l’enthousiasme. Ses résultats s’appliquent pour l’instant à un type précis de trou noir — chargé électriquement, à symétrie sphérique — qui n’est pas le cas général observé dans la nature.

La prochaine étape est d’étendre l’analyse aux trous noirs en rotation — les plus courants dans l’univers réel. Le moment angulaire d’un trou noir pourrait jouer un rôle analogue à la charge électrique, fournissant l’effet répulsif nécessaire pour empêcher la singularité.

Ce travail est « techniquement plus exigeant » — mais c’est celui qui passionne le plus son auteur.

« Je pense que cet article montre que nos connaissances sont moins approfondies que prévu« , conclut Di Filippo. « Je m’attendais à ce qu’une théorie complète de la gravité quantique soit indispensable. Cela reste possible — mais certains arguments suggèrent désormais qu’une théorie bien moins avancée pourrait suffire. »