entropie de Barrow

Un feu qui ne s'éteint pas d'un coup, mais couve pendant des heures, parce que les bûches à l'intérieur gardent encore la chaleur des flammes passées. C'est à peu près ainsi que fonctionne l'effet de mémoire chez les trous noirs.

Lorsqu'on gonfle un ballon trop rapidement, ses parois se mettent à vibrer. C'est à peu près ce qui se passait avec l'espace dans les tout premiers instants après le Big Bang : l'univers se gonflait à toute allure, et le tissu même de l'espace s'est mis à onduler.

La théorie quantique des champs est le langage dans lequel les physiciens décrivent les particules élémentaires et leurs interactions. Les auteurs de l'étude ont décidé de « retoucher » ce langage en introduisant des déformations, c'est-à-dire de petits changements dans les règles du jeu.

Un tourbillon avale l'eau, mais en projette la majeure partie autour de lui. C'est à peu près ce que fait un trou noir lorsqu'il reçoit trop de matière.

Une pierre tombe dans une eau calme, et des cercles se propagent à la surface. Un trou noir se comporte de manière similaire lorsqu'un objet tombe en lui ou lorsqu'il fusionne avec un autre. Le trou noir se met à osciller, et ces oscillations s'échappent dans l'espace sous forme d'ondes gravitationnelles.

Un trou noir posé sur une fine membrane cosmique (la brane) évoque une lourde boule qui tend une pellicule élastique. En physique classique, il est chauve — seuls comptent sa masse, sa charge et sa rotation.

L'eau se transforme en glace à zéro degré — brusquement, sans états intermédiaires. Quelque chose de similaire se produit avec la complexité lorsque l'on prend un état quantique aléatoire d'un système entier et que l'on ne regarde qu'une partie de celui-ci. Tant que cette partie occupe moins de la moitié du système, sa complexité croît régulièrement.

Un rayon lumineux glissant le long de l'horizon d'un trou noir ne se contente pas de se déplacer : il transporte avec lui chaleur et information. Les physiciens soupçonnaient depuis longtemps que la géométrie de tels rayons obéit à des règles strictes, mais les détails restaient flous. Ce nouveau travail transforme ces règles en une inégalité claire.

Au cœur de la plupart des galaxies se cachent des trous noirs supermassifs, maîtres de la gravité. Depuis 2019, grâce à l'interférométrie à très longue base, nous voyons leurs ombres : des silhouettes sombres sur un fond de gaz incandescent. Mais qu'est-ce qui dessine exactement cette ombre ?

Longtemps, la cosmologie a été dominée par une conviction héritée de Stephen Hawking : à l'ère du rayonnement, les trous noirs primordiaux ne grandissent pas.

Un océan infini où chaque vague porte l'information de ce qui se passe en profondeur. C'est à peu près ainsi que fonctionne notre Univers dans le cadre du principe holographique : la physique à l'intérieur d'un volume peut être décrite par les processus à sa frontière.

Distinguer le signal d'une paire de trous noirs supermassifs, c'est comme entendre les pas d'un danseur dans le fracas d'un ouragan. Quelque part dans l'espace, ces monstres tournent dans un tango gravitationnel lent, déformant l'espace-temps lui-même.

Traditionnellement, un trou noir est décrit par trois paramètres : masse, charge et moment angulaire.

La quête des anyons non abéliens, c'est la chasse au fantôme quantique qui ne laisse qu'un seul indice : l'entropie. Ces particules habitent des systèmes bidimensionnels à des températures extrêmement basses.

Après le Big Bang, l'Univers a connu une expansion fulgurante — l'inflation — qui a lissé le Fond diffus cosmologique et semé les germes des galaxies.

Au centre de la galaxie M87, à 55 millions d'années-lumière de nous, se cache un trou noir d'une masse équivalente à 6,5 milliards de Soleils. En 2019, le télescope Event Horizon Telescope (EHT) en a montré pour la première fois le portrait : un beignet orange avec un cœur sombre.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers était rempli d'un plasma chaud et presque homogène. Mais dans certains endroits, la densité pouvait par hasard être un peu plus élevée. Si un tel amas atteignait une masse critique, il s'effondrait en trou noir — c'est ainsi que naissaient les trous noirs primordiaux.

Dans la quête de la nature de la matière noire, l'une des hypothèses les plus intrigantes plonge ses racines dans les tout premiers instants après le Big Bang.

Un trou noir supermassif dérive dans un nuage de matière noire. Dans le scénario habituel, cette substance invisible ajoute simplement de la masse et n'interagit presque pas avec la matière ordinaire. Mais les particules de matière noire pourraient posséder une rotation propre — un spin.

Un trou noir n'est pas simplement un aspirateur cosmique. C'est une région où la gravité est si intense que même la lumière ne peut s'en échapper. Mais si on le plonge dans un fluide parfait de matière noire et qu'on ajoute un nuage de cordes — de fins filaments tendus à travers tout l'espace — le tableau se complique.

Un trou noir ressemble à une toupie : plus il tourne vite, plus son comportement est marqué. Il possède deux frontières — l'horizon externe et l'horizon interne, des limites au-delà desquelles même la lumière ne revient pas.

Un feu de camp ne se consume pas d'un coup. Si l'on jette un œil aux flammes à un instant aléatoire, on ne voit qu'un chaos de langues de feu — et l'on ne peut jamais savoir ce qui a brûlé : une branche humide, un vieux journal ou une brassée d'herbe sèche.

Une nuée de minuscules boules de glace est éparpillée dans une pièce chaude. Certaines fondent plus vite, d'autres plus lentement, mais lorsqu'il ne reste que des traces humides, elles disparaissent toutes de la même manière : la dernière goutte s'évapore selon la même loi.

Les trous noirs perdent de la masse comme l'eau d'un seau au soleil — cette évaporation a été découverte par Stephen Hawking.

L'espace-temps est comme une immense feuille de papier. Pliez-la – et des coins éloignés se retrouvent proches. Percez-la avec un crayon – vous obtenez un trou de ver, un tunnel court à travers les plis. Mais le papier tend à se déplier, refermant le passage. Pour le maintenir ouvert, il faut une « cale » rare : de la matière à énergie négative.

La lumière qui tombe dans un trou noir transporte de l'information — par exemple, le chemin qu'a suivi un photon. L'horizon (la surface sous laquelle rien ne revient) réagit en modifiant son entropie — une mesure du désordre, comparable au nombre de pages mélangées dans un livre.

La gravité n'est pas fondamentale — c'est une ombre projetée par l'entropie, la mesure du désordre. Dès les années 1970, Jacob Bekenstein et Stephen Hawking ont découvert que les trous noirs stockent le désordre sur leur surface, comme si l'information était étalée sur…

Un morceau de sucre pèse environ un gramme. Mais un trou noir capable de se cacher dans un tel morceau pèserait comme une petite montagne — des milliards de tonnes. Pourtant, même ces minuscules, nés dans les premiers instants après le Big Bang, auraient dû disparaître depuis longtemps.

Un minuscule trou noir de la taille d'un noyau atomique mais avec la masse d'une montagne est né dans les premiers instants après le Big Bang, lorsque des amas aléatoires d'énergie se sont effondrés en de tels objets.

Les ondes gravitationnelles ont mis au jour un abîme : les trous noirs dont la masse se situe entre 60 et 120 soleils ne naissent presque jamais. Ce gouffre est creusé par les supernovae à instabilité de paire — des explosions qui ne laissent même pas une poussière de l'étoile.

Un trou noir n'est pas une sphère figée. Il ressemble plutôt à une bulle de savon dont les parois peuvent se dilater et se contracter. Il possède même deux couches : l'horizon extérieur, au-delà duquel la lumière ne revient plus, et l'horizon intérieur, caché plus profondément.

Juste après le Big Bang, l'Univers s'est étendu incroyablement vite — cette phase a été nommée inflation. Dans certaines régions microscopiques, la matière s'est par hasard tellement condensée qu'elle s'est effondrée en trous noirs primordiaux. Ils sont minuscules — de la taille d'un proton, mais massifs — comme un iceberg.

Dans la première seconde qui a suivi le Big Bang, l'Univers était un chaudron d'énergie bouillonnante. Les paires « particule-antiparticule » naissaient et s'annihilaient instantanément. Mais pour chaque milliard de ces paires, une particule de matière survivait — et ce résidu est devenu les étoiles, les planètes, les êtres humains.

Une pierre tombe dans un étang, et des cercles se propagent à la surface de l'eau. De même, un trou noir, au repos dans le vide, peut rencontrer une onde gravitationnelle ou un nuage de gaz. Il ne reste pas indifférent : sa surface (l'horizon des événements) se déforme légèrement, comme une membrane tendue sous le poids d'une goutte.

On gonfle un ballon de plus en plus vite. Au début, il s'étire doucement, mais à un moment donné, la pompe a un raté – la vitesse chute, puis reprend. Pendant cette courte pause, de minuscules bulles apparaissent sur le caoutchouc. Lorsqu'on gonfle à nouveau, elles se transforment en nœuds denses.

La fusion de deux trous noirs ressemble à une danse qui se termine par une puissante explosion : une onde gravitationnelle. Cette onde porte l'empreinte de la courbure de l'espace-temps autour des objets.

L'eau, décomposée par l'électricité en hydrogène et en oxygène, est un vieux rêve de carburant propre. Mais de minuscules bulles de gaz se dressent sur le chemin : elles recouvrent les électrodes comme la mousse sur les parois d'un verre de soda, et empêchent le courant de faire son travail.

Certains trous noirs sont des vestiges du Big Bang. D'ordinaire, ils s'estompent par une lente fuite de rayonnement, comme l'a prédit Stephen Hawking.

Les trous noirs classiques — des régions de l'espace-temps où la gravité est si intense que même la lumière ne peut s'en échapper — cachent, selon la relativité générale, une singularité en leur centre : un point de densité et de courbure infinies où les lois connues de la physique perdent leur sens.

Les minuscules trous noirs, nés dans les premiers instants après le Big Bang, auraient dû, selon la théorie de Hawking, disparaître depuis longtemps — s'évaporant comme une flaque d'eau au soleil. Mais de nouveaux calculs montrent que l'évaporation n'est pas si rapide.