Des physiciens affirment que des singularités nues peuvent se former dans un univers en forme de selle.

Une équipe de physiciens théoriciens de l’Université de Cambridge, au Royaume-Uni, a utilisé des simulations informatiques pour prédire l’existence d’une singularité dite nue, qui interfère avec la théorie générale de la relativité d’Albert Einstein.

Un trou noir simulé de 10 masses solaires vu à une distance de 370 miles. Crédit image : Ute Kraus, Universität Hildesheim / Axel Mellinger / CC BY-SA 2.5.

Un trou noir simulé de 10 masses solaires, vu d’une distance de 370 miles. Crédit image : Ute Kraus, Universität Hildesheim / Axel Mellinger / CC BY-SA 2.5.

La théorie générale de la relativité d’Einstein est à la base de notre compréhension actuelle de la gravité : tout, de l’estimation de l’âge des étoiles dans l’Univers aux signaux GPS qui nous aident à naviguer, est basé sur ses équations.

En partie, la théorie nous dit que la matière déforme l’espace-temps qui l’entoure, et que ce que nous appelons gravité est l’effet de cette déformation.

Au cours des 100 années qui ont suivi sa publication, la relativité générale a passé tous les tests qui lui ont été soumis, mais l’une de ses limites est l’existence de singularités – des points où la gravité est si intense que l’espace, le temps et les lois de la physique s’effondrent.

La relativité générale prédit que les singularités existent au centre des trous noirs et qu’elles sont entourées d’un horizon des événements – le “point de non-retour”, où la force gravitationnelle devient si forte qu’il est impossible de s’en échapper, ce qui signifie qu’elles ne peuvent pas être observées de l’extérieur.

Depuis plus de quarante ans, les physiciens théoriques ont proposé que, chaque fois que des singularités se forment, elles sont toujours cachées de cette manière – c’est ce qu’on appelle la “conjecture de la censure cosmique”.

Si elle est vraie, la censure cosmique signifie qu’en dehors des trous noirs, ces singularités n’ont aucun effet mesurable sur quoi que ce soit, et que les prédictions de la relativité générale restent valables.

Ces dernières années, les scientifiques ont utilisé des simulations informatiques pour prédire l’existence de “singularités nues”, c’est-à-dire de singularités qui existent en dehors d’un horizon des événements.

Les singularités nues invalideraient la conjecture de la censure cosmique et, par extension, la capacité de la relativité générale à expliquer l’Univers en tant que théorie autonome.

Cependant, toutes ces prédictions ont été modélisées sur des univers qui existent dans des dimensions supérieures.

Par exemple, en 2016, des chercheurs de l’Université de Cambridge et de l’Université Queen Mary de Londres ont prédit l’existence d’une singularité nue, mais leurs prédictions étaient basées sur un Univers 5D.

La nouvelle recherche, publiée dans la revue Physical Review Letters, a prédit l’existence d’une singularité nue dans un Univers 4D – trois dimensions spatiales, plus le temps – pour la première fois.

Les prédictions montrent qu’une singularité nue peut se former dans un type particulier d’espace courbe connu sous le nom d’espace anti-de Sitter, dans lequel l’Univers a une forme caractéristique de “selle”.

Selon la relativité générale, les univers peuvent avoir différentes formes, et l’espace anti-de Sitter est l’une de ces formes possibles.

L’espace anti-de Sitter a une structure très différente de l’espace plat. En particulier, il possède une limite que la lumière peut atteindre, et à laquelle elle est renvoyée.

“C’est un peu comme avoir un espace-temps dans une boîte”, a déclaré le premier auteur Toby Crisford, du département de mathématiques appliquées et de physique théorique de l’Université de Cambridge.

“A la frontière, les parois de la boîte, nous avons la liberté de spécifier ce que font les différents champs, et nous utilisons cette liberté pour ajouter de l’énergie au système et finalement forcer la formation d’une singularité.”

Bien que les résultats ne soient pas directement applicables à notre Univers, car ” forcer ” une singularité n’est pas une procédure qu’il est possible de simuler dans un espace plat, ils ouvrent de nouvelles possibilités d’étudier d’autres théories pour comprendre l’Univers.

Une de ces théories pourrait impliquer la gravité quantique, qui fournit de nouvelles équations à proximité d’une singularité.

“La singularité nue que nous voyons est susceptible de disparaître si nous incluons des particules chargées dans notre simulation – c’est quelque chose que nous étudions actuellement”, a déclaré le co-auteur, le Dr Jorge Santos, également du département de mathématiques appliquées et de physique théorique de l’Université de Cambridge.

“Si c’est vrai, cela pourrait impliquer un lien entre la conjecture de la censure cosmique et la conjecture de la gravité faible, qui dit que toute théorie cohérente de la gravité quantique doit contenir des particules suffisamment chargées.”

“Dans l’espace anti-de Sitter, lala conjecture de la censure cosmique pourrait être sauvée par la conjecture de la gravité faible.”

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