Comment des hologrammes pourraient aider à étudier les mystères des trous noirs
Mener des expériences en laboratoire pour comprendre les trous noirs, ces monstres de l'espace qui peuvent atteindre des milliards de masses solaires, n'est pas simple.
« L'un des objets astrophysiques les plus singuliers est le trou noir », rappellent les scientifiques dès le début de leur étude. Aussi, pour l'heure, leur réflexion est uniquement théorique. Cela étant, d'après eux, il serait possible de simuler le fonctionnement d'un trou noir en trois dimensions dans une expérience de laboratoire, à partir de la surface d'une sphère en deux dimensions.
Qu'est-ce qu'un trou noir ?
Un trou noir est une région de l'espace très compacte : son champ gravitationnel est si intense que toute matière tombant dans le trou noir ne peut s'en échapper, pas même la lumière. Puisque le trou noir est, par définition, noir, ce que l'on peut seulement voir sur les images est l'horizon des événements, c'est-à-dire la frontière du trou noir. Tout ce qui franchit cette frontière est irrémédiablement perdu et hors d'atteinte. Ce que l'on voit, c'est le contour du trou noir, en somme.
Jusqu'à présent représenté dans des illustrations artistiques, le trou noir a pu être pour la première fois représenté sur une photographie reconstituée. En 2019, les scientifiques ont en effet enfin obtenu cette image très attendue : la première photographie d'un trou noir, le spécimen M87*. Ce trou noir supermassif, situé au cœur de la galaxie Messier 87, fait environ 6,5 milliards de masses solaires.
Ce fameux contour prend la forme d'un anneau lumineux. Les scientifiques utilisent l'expression d'« anneau d'Einstein » dans leur étude car il s'agit d'une déformation de l'image pour l'observateur. La masse du trou noir déforme tellement la texture de l'espace-temps, selon la théorie de la relativité générale (théorie expliquée dans cet article), que cette texture se met à agir comme une sorte d'immense lentille, résume un communiqué de l'université d'Osaka.
La théorie des cordes et la dualité holographique
Si les scientifiques ont tant de mal à comprendre les trous noirs, c'est parce qu'ils se heurtent à une incompatibilité entre deux théories : la relativité générale et la mécanique quantique. La première aide à étudier les étoiles et les galaxies (à grande échelle) et la deuxième explique le fonctionnement de l'univers (à petite échelle). Comment comprendre alors le fonctionnement d'un trou noir, cette énorme masse logée dans un si petit espace ?
Les auteurs pensent que la solution à ces théories apparemment incompatibles réside dans une troisième théorie connue sous le nom de théorie des cordes. Résumer cette théorie en quelques mots est complexe mais l'on peut dire, comme l'explique Space.com, qu'elle remplace les particules élémentaires par des cordes vibrantes. La théorie des cordes réconcilie alors la relativité générale et la mécanique quantique. On parle de « dualité holographique » car la théorie des cordes peut faire penser à une plaque holographique, en deux dimensions. Cette plaque est capable de restituer un objet en trois dimensions, quand elle est éclairée par un laser.
Les physiciens proposent de s'inspirer directement de ce concept et de « refléter un anneau d'Einstein » : la surface d'une sphère en deux dimensions pourrait servir lors d'une expérience en laboratoire, pour simuler un trou noir en trois dimensions. La lumière émise en un point de la sphère serait mesurée en un autre point. « L'image holographique des trous noirs dans un matériau, si elle est observée par une expérience, peut constituer une nouvelle entrée dans le monde de la gravité quantique », avancent les auteurs. Si l'expérience fonctionne, elle serait un formidable moyen d'étudier le fonctionnement de notre univers. Mais, pour cela, il faut encore trouver les moyens techniques de la réaliser.