En février de cette année, les astronomes ont fait une découverte monumentale. Près de cent ans après leur prédiction par Albert Einstein, les scientifiques ont finalement découvert des ondes gravitationnelles - des «ondulations dans l'espace-temps», éclairées par le rayonnement de deux trous noirs fusionnés. Cette observation était une confirmation très claire de la théorie générale de la relativité d'Einstein, mais en même temps cet événement était une preuve audacieuse que les lois de cette théorie cessent de fonctionner dès qu'elles atteignent l'horizon des événements des trous noirs.
Depuis février de cette année, l'observatoire des ondes gravitationnelles interférométriques laser (LIGO) a vu des ondes gravitationnelles trois fois au total. Les chercheurs ont finalement examiné de près les résultats et prétendent maintenant avoir trouvé des preuves de soi-disant «échos» dans les vagues qui remettent en question les prédictions d'Einstein sur les trous noirs.
Ces déclarations sont actuellement publiées dans la bibliothèque scientifique en ligne ArXiv.org, où elles peuvent être analysées par d'autres membres de la communauté des physiciens avant d'être présentées à un examen par les pairs. Par conséquent, il existe une probabilité très réelle que des faits nouveaux soient trouvés dans le cadre d'un regard extérieur sur les données d'observations de ces échos. De plus, les preuves présentées ont été fournies avec une précision de 5 Sigma, qui est la norme de référence dans le monde de la physique. Cela signifie que sur 3,5 millions, il y a une possibilité que les observations soient une pure coïncidence.
Cependant, si d'autres études montrent que cet «écho» est réellement présent, alors pour la physique, ce sera un événement énorme. Auparavant, il a été suggéré que les lois de la relativité générale s'effondrent en mille morceaux à l'approche du centre des trous noirs, mais cette découverte montrera que les lois cessent également de fonctionner aux limites de ces phénomènes spatio-temporels. Si tel est le cas, alors c'est peut-être le début de la naissance des lois d'une physique complètement nouvelle.
«La découverte de LIGO et d'autres organisations en perspective offre une opportunité incroyable d'explorer de nouvelles lois physiques», déclare Steve Giddings, chercheur sur les trous noirs à l'Université de Californie à Santa Barbara, qui n'a pas participé à l'étude décrite aujourd'hui.
Si les échos s'avèrent être un mannequin, alors la relativité générale n'aura qu'à passer un autre test. Pendant des décennies, les physiciens ont essayé d'ajuster les trous noirs dans cette théorie, essayant de trouver des moyens de l'intégrer à la mécanique quantique, mais la théorie d'Einstein se porte bien jusqu'à présent.
Mais avant de poursuivre la discussion, comprenons ce que sont ces échos et comment ils se rapportent à la relativité générale.
Tout se résume au soi-disant paradoxe informationnel des trous noirs. Selon la théorie d'Einstein, tout ce qui traverse l'horizon des événements des trous noirs devrait disparaître, ne laissant rien derrière. Au sens traditionnel, cela signifie que rien, pas même la lumière, ne peut sortir d'un trou noir (d'où, d'ailleurs, le nom de cet objet).
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Récemment, les scientifiques ont été très perplexes en testant cette théorie. En effet, selon les lois de la mécanique quantique, la matière absorbée par un trou noir peut en fait laisser une trace sous forme d'information. Alors comment peut-on décrire simultanément l'horizon des événements à la fois du point de vue de la relativité générale (tout est détruit après avoir franchi ses frontières) et du point de vue de la mécanique quantique (de l'objet, son information reste)?
Cette question est l'une des plus difficiles de la physique moderne, et les scientifiques ne peuvent toujours pas y trouver de réponse.
Une explication suggérée est l'hypothèse du pare-feu de 2012, qui suggère qu'il existe des anneaux de particules hautement chargées autour de l'horizon des événements, qui incinèrent toute matière qui les traverse.
Le physicien Stephen Hawking a une hypothèse différente. Il pense que les trous noirs peuvent être entourés de «cheveux» doux (les cheveux sont, bien entendu, utilisés ici comme métaphore). Ces «poils» représentent des perturbations quantiques à faible charge et contiennent des signatures (informations, si vous voulez) de tout ce qui est tombé dans un trou noir.
Quelle que soit l'hypothèse à laquelle vous êtes le plus enclin, leur message principal est le même: au lieu de l'horizon des événements propre prédit par la relativité générale, les limites des trous noirs peuvent être beaucoup plus complexes et floues que nous ne l'imaginions. Et le principal problème ici était que nous n'avons pas eu l'occasion de vérifier d'une manière ou d'une autre ces hypothèses. Jusqu'à ce que LIGO détecte des ondes gravitationnelles.
Maintenant, avec les données disponibles, une équipe internationale de chercheurs propose un moyen de découvrir ce qui se passe autour des trous noirs. Selon la nouvelle hypothèse, si les horizons d'événements des trous noirs ne se prêtent pas vraiment aux lois de la relativité générale, alors les échos devraient subsister après les ondes gravitationnelles initiales.
Selon les chercheurs, il sera possible de les détecter grâce aux «poils» entourant le trou noir, qui sont dans un état d'excitation et se comportent en ce moment comme des miroirs. Ils capturent certaines des ondes gravitationnelles s'échappant du trou noir, les enveloppent, transmettent une partie de leur état de perturbation, puis peuvent être détectés par des instruments comme le LIGO.
Selon les calculs des scientifiques, ces échos pourraient être détectés à l'aide de LIGO 0,1 et 0,3 seconde après la libération initiale de l'onde gravitationnelle. Et - voilà! Les scientifiques en sont devenus les témoins! De plus, l'événement a été observé non seulement dans le cadre de la première détection d'ondes gravitationnelles en février de cette année, mais également dans le cadre des trois observations d'ondes gravitationnelles cette année.
Il faut bien entendu comprendre que les trois événements peuvent difficilement être qualifiés de données statistiques fiables. Ainsi, bien qu'il soit possible que ces échos soient une sorte de bruit de fond (1 cas sur 270, ou une erreur de 2,9 Sigma), d'autres observations aideront les chercheurs à construire une base de preuves plus solide.
«La bonne nouvelle est que la clarté et la sensibilité de LIGO s'amélioreront considérablement bientôt, nous avons donc une opportunité plus ferme au cours des deux prochaines années pour confirmer ou infirmer ces observations», déclare le chercheur principal Niaesh Afshordi.
Même si les échos peuvent être confirmés, ils ne répondront pas à la question du niveau de flou des limites des trous noirs. Par conséquent, la solution du paradoxe de l'information a été reportée pour l'instant. Jusqu'à présent, une chose est claire: l'une des découvertes les plus importantes en physique cette année est devenue encore plus tentante.
NIKOLAY KHIZHNYAK
