champ scalaire sans masse

Un trou noir tournant presque à la limite ressemble à un athlète qui frôle le record. Le plus intéressant ne se passe pas dans le trou lui-même, mais dans la fine pellicule d'espace-temps à son horizon. C'est là que d'infimes ajouts à la gravitation einsteinienne peuvent soudainement atteindre des proportions gigantesques.

Un trou noir classique est un puits sans fond : tout ce qui franchit l'horizon disparaît dans un point de densité infinie.

De loin, la lumière contourne un trou noir comme un cycliste négocie un virage serré. Un peu plus près, elle commence à tourner en rond sur une sphère de photons invisible. Chaque trou noir possède une telle sphère, mais elle est généralement instable : la moindre perturbation et la lumière s'échappe ou tombe à l'intérieur.

Un trou noir est un gigantesque tourbillon cosmique qui aspire tout ce qui s'en approche. Mais outre la matière visible, un brouillard invisible peut flotter dans ses parages — une matière noire. Les physiciens ont étudié son comportement.

$$10^{-35}$$ secondes. Un instant minuscule pendant lequel l'Univers réussit à s'étendre d'un facteur $$10^{26}$$. Juste après, il traverse des milliers de transformations rapides — comme une bille bondissant dans une chaîne de tunnels. Cette cascade constitue l'essence de l'inflation en chaîne, proposée pour la première fois par Alan Guth.

Un nuage d'ondes s'effondre sous sa propre gravité. Tant qu'il est diffus, tout se passe comme dans les manuels : le champ oscille légèrement dans un espace presque plat, et les formules approximatives fonctionnent parfaitement. Mais il suffit d'ajouter un peu plus d'énergie pour que le tableau change.

Au centre d'une galaxie se trouve un trou noir supermassif, entouré d'un vaste nuage ténu de matière noire. Il n'émet pas de lumière, ne chauffe pas, mais par sa gravité il courbe l'espace et change les règles du jeu pour tout ce qui gravite à proximité.

La gravité est la colle invisible qui maintient les étoiles et les planètes. Mais que se passerait-il si cette colle avait une masse minuscule ? Dans la théorie de la gravité massive, les particules porteuses (appelées gravitons) pèsent très peu, mais pas zéro. Cela change la donne près des trous noirs.

La mort d'une étoile massive n'est pas seulement l'éclat d'une supernova, mais aussi la naissance d'un trou noir.

Au centre de l'attention se trouve un trou noir de forme inhabituelle. Sa géométrie évoque un fuseau : à la rotation habituelle s'ajoute un léger allongement. Le paramètre B mesure cette déformation. La déformation en fuseau n'est pas qu'un simple jouet mathématique.

Le monde quantique est souvent comparé à un instrument de musique. Chaque système — qu'il s'agisse d'un atome ou d'une chaîne de particules — résonne à ses propres fréquences, que les physiciens appellent niveaux d'énergie. Dans les systèmes chaotiques, comme dans un orchestre sans chef, ces fréquences remplissent généralement toute la plage disponible sans lacunes.

Un trou noir, dans la théorie classique, est un endroit où la matière se comprime en un point de densité infinie. Une telle « singularité » ressemble à une erreur dans les équations : la nature supporte mal les infinis.

Au centre d'un trou noir ordinaire, selon les conceptions classiques, se cache une singularité – un point de densité infinie où les lois de la physique cessent de fonctionner. Mais certaines théories, inspirées par l'idée de dualité issue de la théorie des cordes, proposent de remplacer ce point par une minuscule région « floutée ».

Un trou noir est structuré en couches à l'intérieur, comme un oignon. Dans ce nouveau modèle, au lieu d'un point infini au centre, on trouve trois régions : un noyau dense, une couche de transition et une croûte juste sous l'horizon. Elles émergent toutes d'un seul champ qui interagit avec lui-même.

Un trou noir dans les manuels ressemble à une sphère parfaitement lisse : tout ce qui se trouve à l'extérieur s'échappe tranquillement vers l'infini. Cependant, la théorie quantique de la gravité dresse un autre tableau.

L'espace est parcouru de champs magnétiques. On en trouve autour des galaxies, des étoiles, et même dans les vides cosmiques (les immenses espaces vides entre les amas de galaxies). On considère généralement que ces champs sont amplifiés à partir de champs « germes » faibles grâce à la turbulence, un peu comme une dynamo.

Un trou noir avec un champ magnétique évoque un tourbillon dans une rivière où l'eau ne s'engouffre pas dans le vortex mais tournoie sur place. Habituellement, la rotation du trou noir attrape les ondes et les amplifie — on appelle cela la superradiance. Mais si on ajoute un champ magnétique, tout change.

Une minuscule étoile tourne autour d'un trou noir géant en rotation. Peu à peu, elle s'en rapproche en spirale, et cette danse dure des milliers d'années. Pendant tout ce temps, des ondes se propagent dans l'espace — comme des ronds dans l'eau, mais ce sont des ondes gravitationnelles. On peut les « entendre » avec des détecteurs spéciaux.

L'espace-temps n'est pas vide : il tremble. Après le Big Bang, l'Univers était rempli du bourdonnement des ondes gravitationnelles, semblable au grondement grave d'une cloche géante.

Dans le microcosme de l'interaction forte — la colle la plus puissante de la nature — les quarks ne se promènent jamais seuls. À grande distance, ils s'agglutinent en protons et en neutrons que nous connaissons bien. Mais sous une compression extrême, comme au cœur d'une étoile à neutrons, cette colle crée des formes de matière bien plus étranges.

Au centre d'une galaxie, un énorme trou noir est enveloppé d'un nuage invisible — un essaim de particules ultra-légères qu'il a lui-même engendré. Dans ce nuage plonge un autre trou noir, de la taille d'une étoile, et commence une longue danse en spirale.

Deux aimants se percutent dans une pièce sombre, se collent en une boule — et un bruit sourd retentit. C'est à peu près ce qui se passe avec les trous noirs, sauf qu'au lieu d'aimants, ils ont une charge électrique, et au lieu d'un bruit, une onde gravitationnelle.

Un billard bien étrange, si les boules n'avaient pas de masse. Elles ne se heurteraient pas, mais se traverseraient sans se soucier des obstacles. C'est à peu près à cela que ressemble la tentative de se représenter la lumière comme un flux de particules classiques – de petits corpuscules élastiques filant en ligne droite. Une nouvelle démonstration met un terme à cette image.

Un trou de ver ressemble à un tunnel avec un col très étroit. Si vous envoyez un signal sonore dans un tel tunnel, une partie de l'écho reviendra, une autre restera coincée au milieu et n'en sortira que très lentement.

Si l'on jette un caillou dans un étang, des cercles se propagent à la surface. De la même manière, un trou noir « sonne » lorsque de la matière y tombe ou lorsque son espace-temps est légèrement secoué. Ces oscillations amorties sont appelées modes quasi-normaux — comme le son d'une cloche qui s'éteint progressivement.

Le vide sait réserver des surprises. En relativité générale, il existe une solution où l'espace engendre lui-même un trou noir — littéralement à partir d'un point. Tout commence à l'instant où l'horizon des événements (la surface sous laquelle même la lumière ne peut s'échapper) apparaît avec un rayon nul et se met aussitôt à croître.

La lumière la plus ancienne de l'Univers voyage vers nous depuis près de 14 milliards d'années. Elle est née lorsque le cosmos est devenu transparent, et depuis, son plan d'oscillation tourne imperceptiblement. La cause : un océan invisible qui imprègne tout l'espace — le champ d'énergie sombre qui accélère l'expansion de l'Univers.

Un trou noir ressemble à un puits sans fond. On peut mesurer la quantité d'eau qui s'y est écoulée en observant le niveau depuis l'extérieur. Mais comment connaître la masse de l'eau elle-même si l'on se tient au fond du puits ? C'est à peu près ce problème que résolvent les auteurs de ce nouveau travail.

Dans l'image habituelle, un trou noir est un gouffre sans visage dans la courbure de l'espace-temps. Mais si une coquille de matière vibre autour de lui, l'intervalle entre le bord de l'abîme et cette coquille se transforme en cavité résonnante.

Jetez une poignée de sable dans une eau calme — les cercles s'étendent puis disparaissent. Jetez-la dans un mixeur en marche — les tourbillons mélangent tout instantanément. En physique, il existe une règle similaire : le chaos ne peut pas croître plus vite qu'un certain rythme.

Une boule duveteuse de toile invisible enveloppe un trou noir. Cette toile, c'est la matière noire, qui n'émet pas de lumière mais dont le poids guide le mouvement des étoiles aux confins des galaxies.

La matière ordinaire, décrite par le modèle standard, ce sont les étoiles, les planètes, la lumière. Mais elle ne constitue qu'une infime partie de l'univers. Le reste, c'est la matière noire, née après le Big Bang. De quoi est-elle faite ? Peut-être de particules ultralégères.

D'ordinaire, un trou noir est un abîme avec un puits ponctuel en son centre, où la densité devient infinie et où tout se brise. Einstein et Schwarzschild ont décrit ce scénario. Mais l'infini est un signe que la théorie a trébuché.

Le son se propage dans un milieu à une certaine vitesse. Si le milieu se déplace plus vite, le son est entraîné par le flux, comme un brindille aspirée dans un tourbillon. Dans l'hélium superfluide — un liquide sans frottement — une rotation rapide engendre des vortex en entonnoir.

Einstein et Rosen ont imaginé un pont reliant deux feuilles de réalité. Wheeler lui a donné un nom — trou de ver — et Thorne avec Morris ont prouvé que le tunnel est traversable si on le remplit de matière exotique.

Un aimant approché d'une poignée de limaille de fer aligne celle-ci le long de lignes invisibles — c'est ainsi que le champ contourne l'aimant d'un pôle à l'autre. On peut voir la gravité autour des corps massifs d'une manière similaire : seulement, au lieu de la limaille, c'est l'espace lui-même, et au lieu de l'aimant, une étoile ou un trou noir.

L'espace-temps ressemble parfois à une feuille de papier dans laquelle on pourrait percer un trou et relier les bords par un court tube — on obtiendrait un trou de ver. Dans les modèles mathématiques les plus simples de ces trous, apparaissent des champs scalaires sans masse — une sorte de brouillard invisible qui remplit tout autour.

Une balançoire se met à osciller de plus en plus fort si on la pousse en rythme. Un mécanisme similaire se déclenche lorsqu'une étoile morte tourne autour d'un trou noir massif enveloppé d'un nuage de particules ultra-légères. Ces particules sont des candidates pour la matière noire (la substance invisible qui empêche les galaxies de se disloquer).

Un champ magnétique peut empêcher une étoile de s'effondrer complètement — c'est l'idée derrière ce nouveau trou noir. Au lieu du point de densité infinie habituel, on trouve à l'intérieur un champ qui empêche l'espace de se réduire à zéro. C'est comme un ressort : plus on comprime, plus il résiste.

Une toupie lancée à pleine vitesse modifie le mouvement de l'air autour d'elle : celui-ci s'enroule différemment que si elle tournait à peine. Avec les trous noirs, dans certaines théories de gravité étendues, il se passe quelque chose de semblable.