La surface d'action des trous noirs ne diminue pas avec le temps. Une nouvelle analyse des ondes gravitationnelles confirme la découverte de 2015.
La surface d'action d'un trou noir, dans laquelle la matière et le rayonnement sont aspirés, ne peut pas diminuer avec le temps. C'est la théorie de Stephen Hawking, qu'une nouvelle étude du MIT vient de confirmer. L'analyse a été réalisée en étudiant les ondes gravitationnelles produites il y a 1,3 milliard d'années par deux trous noirs géants tournant en spirale l'un autour de l'autre, et a été publiée dans Physical Review D. L'étude s'appuie sur les résultats d'une étude du MIT. Cependant, cela resterait un paradoxe par rapport à une autre théorie qui prédit qu'à long terme, un trou noir se rétrécit jusqu'à l'évaporation.
Théorie des trous noirs de Stephen Hawking
En 1971, Hawking avait théorisé le théorème de la surface d'un trou noir ne diminuant pas avec le temps à partir de la théorie de la relativité générale d'Einstein. Cette règle, pour les physiciens, serait étroitement liée à la deuxième loi de la thermodynamique, qui stipule que le temps s'écoule dans une direction particulière, c'est-à-dire que l'entropie, ou le désordre, d'un système fermé doit toujours augmenter. Comme l'entropie d'un trou noir est proportionnelle à sa surface, les deux doivent constamment augmenter.
La nouvelle étude confirmant la théorie de Hawking
Selon la nouvelle enquête, la confirmation de la loi de la surface par les chercheurs semble impliquer que les propriétés des trous noirs sont des indices significatifs des lois cachées qui régissent l'univers. Curieusement, la loi des aires semble contredire un autre des théorèmes prouvés par le célèbre physicien : les trous noirs devraient s'évaporer sur une échelle de temps extrêmement longue. La prochaine étape serait donc de comprendre la source de la contradiction entre les deux théories, un résultat qui pourrait révéler une nouvelle physique.
La surface d'un trou noir est définie par une limite sphérique appelée horizon des événements : au-delà de ce point, rien, pas même la lumière, ne peut échapper à sa puissante attraction gravitationnelle. Selon l'interprétation de la relativité générale de Hawking, puisque la surface d'un trou noir augmente avec sa masse et qu'aucun objet lancé dans celui-ci ne peut s'échapper, sa surface ne peut pas diminuer. Mais la surface d'un trou noir se rétrécit lorsqu'il tourne, et les chercheurs se sont donc demandé s'il serait possible d'y lancer un objet suffisamment fort pour faire tourner le trou noir de sorte que sa surface se réduise.
Pour tester cette théorie, les chercheurs ont analysé les ondes gravitationnelles, ou ondulations dans le tissu de l'espace-temps, créées il y a 1,3 milliard d'années par deux grands trous noirs alors qu'ils se rapprochaient en spirale à grande vitesse. Il s'agit des premières ondes jamais détectées en 2015 par l'observatoire avancé d'ondes gravitationnelles LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), un faisceau laser divisé en deux trajectoires de quatre kilomètres de long et capable de détecter les moindres distorsions de l'espace-temps. En divisant le signal en deux moitiés, avant et après la fusion des trous noirs, les chercheurs ont calculé la masse et le spin des trous noirs originaux et combinés. Ces chiffres, à leur tour, leur ont permis de calculer la surface de chaque trou noir avant et après la collision.
La surface du trou noir nouvellement créé était supérieure à celle des deux initiaux, confirmant à 95 % la loi des aires de Hawking. Selon les chercheurs, leurs résultats sont assez conformes à ce qu'ils s'attendaient à trouver. Le véritable mystère reste de tenter d'intégrer la relativité générale à la mécanique quantique. En effet, les trous noirs ne peuvent pas rétrécir selon la relativité générale, mais ils le peuvent selon la mécanique quantique. Derrière la loi de surface, le physicien britannique avait également développé un concept connu sous le nom de "rayonnement de Hawking", selon lequel un brouillard de particules est émis au bord des trous noirs par d'étranges effets quantiques. Ce phénomène provoque le rétrécissement des trous noirs, qui finissent par s'évaporer, sur une période de temps plusieurs fois supérieure à l'âge de l'univers. Cette évaporation peut avoir lieu sur une période suffisamment longue pour ne pas violer la loi des aires à court terme.
En attendant, une étude japonaise a analysé une tempête de trous noirs qui pourrait expliquer quelque chose sur l'origine de la galaxie.
Stefania Bernardini
.