La caractéristique principale des trous noirs est qu’ils sont noirs – les objets qui tombent dans le trou ne peuvent plus être vus et ne peuvent plus influencer l’Univers extérieur. Dans la relativité générale classique, le théorème de l’absence de cheveux limite sévèrement les propriétés d’un trou noir qui peuvent affecter d’autres objets. Celles-ci sont limitées à sa masse totale, son spin et sa charge. Aujourd’hui, quatre physiciens théoriciens montrent que ces propriétés ne sont plus valables lorsque les effets gravitationnels quantiques sont pris en compte. Ils montrent que l’état quantique du champ de gravitons provoqué par le trou noir contient des informations sur l’état intérieur du trou. Cette influence quantique s’étend au-delà de l’horizon des événements et jusqu’aux confins de l’espace-temps. Comme exemple spécifique des effets quantiques, ils montrent que les échanges de gravitons virtuels entraînent une force gravitationnelle extrêmement faible, absente en physique classique. La taille de cette force dépend de l’arrangement spécifique de la matière qui a formé le trou, et pas seulement de sa masse totale. Les résultats de l’équipe pourraient résoudre le paradoxe de l’information du trou noir de Stephen Hawking, qui défie les physiciens depuis 1976. La “chevelure quantique” permet aux informations provenant de l’arrière-horizon d’émerger dans le rayonnement de Hawking, de sorte qu’un trou noir qui s’évapore obéit à une propriété appelée unitarité quantique.
Calmet et al. montrent que l’état quantique du champ de gravitons provoqué par un trou noir contient des informations sur l’état intérieur du trou noir. Crédit image : E. Edwards / Joint Quantum Institute.
Dans un article publié dans le journal Physical Review Lettersle professeur Stephen Hsu de l’université d’État du Michigan et ses collègues démontrent que les trous noirs sont plus complexes qu’on ne le pensait à l’origine et qu’ils possèdent un champ gravitationnel qui, au niveau quantique, code des informations sur la façon dont ils se sont formés.
Dans les années 1960, l’éminent physicien John Archibald Wheeler a exprimé le fait que les trous noirs sont dépourvus de toute caractéristique observable en dehors de leur masse totale, de leur rotation et de leur charge, par l’expression “les trous noirs n’ont pas de cheveux”. C’est ce qu’on appelle le théorème de l’absence de cheveux.
Ayant démontré que les trous noirs ont en fait cette caractéristique supplémentaire, le professeur Hsu et ses co-auteurs ont qualifié leur découverte de “cheveux quantiques de la gravité”, en clin d’œil à la phrase de Wheeler.
“Les trous noirs ont longtemps été considérés comme le laboratoire parfait pour étudier comment fusionner la théorie de la relativité générale d’Einstein avec la mécanique quantique”, a déclaré le professeur Xavier Calmet, physicien à l’université du Sussex.
“Il était généralement admis au sein de la communauté scientifique que la résolution de ce paradoxe nécessiterait un énorme changement de paradigme en physique, obligeant à une reformulation potentielle de la mécanique quantique ou de la relativité générale.”
“Ce que nous avons découvert – et je pense que c’est particulièrement excitant – c’est que ce n’est pas nécessaire.”
“Notre solution ne nécessite aucune idée spéculative, au lieu de cela, notre recherche démontre que les deux théories peuvent être utilisées pour faire des calculs cohérents pour les trous noirs et expliquer comment l’information est stockée sans avoir besoin d’une nouvelle physique radicale.”
Dans leur article, les auteurs montrent que la matière qui s’effondre dans un trou noir laisse une empreinte dans le champ gravitationnel du trou noir lorsque les corrections gravitationnelles quantiques sont prises en compte. Cette empreinte est ce qu’ils appellent des “cheveux quantiques”.
Plus précisément, ils ont comparé les champs gravitationnels de deux étoiles ayant la même masse totale et les mêmes rayons mais des compositions différentes.
Au niveau classique, les deux étoiles ont le même potentiel gravitationnel, mais au niveau quantique, le potentiel dépend de la composition de l’étoile. Lorsque les étoiles s’effondrent en trous noirs, leurs champs gravitationnels conservent la mémoire de la composition des étoiles et permettent de conclure que les trous noirs ont des cheveux, après tout.
“Le concept d’un horizon causal ou événementiel est central à la notion de trou noir”, a déclaré le professeur Hsu.
“Ce qui se trouve derrière l’horizon ne peut pas, en physique classique, influencer l’extérieur”.
“Nous avons montré qu’il existe des enchevêtrements complexes entre l’état quantique de la matière derrière l’horizon (à l’intérieur du trou) et l’état des gravitons à l’extérieur.”
“Cette intrication permet d’encoder des informations quantiques sur l’intérieur du trou noir dans le rayonnement de Hawking qui s’échappe à l’infini.”
“IlIl s’avère que les trous noirs sont en fait de bons enfants, gardant la mémoire des étoiles qui leur ont donné naissance”, a ajouté le professeur Calmet.
Dans un article de suivi, publié dans la revue Physics Letters Bles professeurs Calmet et Hsu montrent que leurs “cheveux quantiques” résolvent le paradoxe de l’information des trous noirs de Stephen Hawking.
En 1976, le professeur Hawking a soutenu que les trous noirs font évoluer les états purs vers des états mixtes.
En d’autres termes, l’information quantique qui tombe dans un trou noir ne s’échappe pas sous forme de rayonnement ; au contraire, elle disparaît complètement de notre Univers, violant ainsi l’unité de la mécanique quantique.
Le “cheveu quantique”, cependant, fournit le mécanisme par lequel l’information est préservée pendant l’effondrement d’un trou noir et, en tant que tel, résout l’un des plus célèbres dilemmes de la science moderne.
“Comme Einstein nous l’a appris, les forces gravitationnelles découlent de la géométrie même de l’espace-temps”, a déclaré le professeur Hsu.
“Par conséquent, lorsque nous quantifions la gravité, nous nous attendons à découvrir de nouvelles choses sur l’espace-temps quantique.”
“Dans ce cas, nous apprenons que le rayonnement de Hawking d’un trou noir est enchevêtré avec l’état quantique de l’espace-temps lui-même !”.
