trou noir de Reissner-Nordström

Un trou noir n'est pas qu'une sphère sombre. En théorie des cordes, il peut se faire pousser des « cheveux » — des champs scalaires supplémentaires, comme l'axion et le dilaton. Ces champs modifient doucement la géométrie de l'espace autour du trou.

Un trou noir sonne comme une cloche après un impact. Cette sonnerie, ce sont les ondes gravitationnelles que les détecteurs capturent. Mais qu'est-ce qui change si l'espace autour du trou est courbé non seulement par sa masse, mais aussi par une correction quantique supplémentaire ?

Une armature invisible maintient les galaxies, les empêchant de se disperser. C'est la matière noire — une substance qui n'émet pas de lumière et n'interagit presque pas avec la matière ordinaire. Les astrophysiciens débattent depuis longtemps de sa composition.

Dans le cosmos lointain existe un objet hypothétique : un trou noir ultra-froid. Il est chargé et se trouve dans un univers en expansion (l'espace de Sitter). Sa température est proche du zéro absolu — environ un billionième de degré au-dessus.

Une pierre tombe dans un lac calme — et des cercles réguliers se propagent à la surface. L'espace autour d'un corps massif se comporte de manière similaire : si le corps est parfaitement rond, les perturbations qu'il émet sont symétriques. Un trou noir en relativité générale évoque un miroir d'eau parfaitement lisse.

Un trou noir n'est pas un aspirateur. En soi, il n'attire pas tout plus fort qu'une étoile ordinaire de même masse. Mais si un champ magnétique se trouve à proximité et que des particules chargées volent autour, un jeu intéressant commence.

Un trou noir ressemble à un coffre-fort parfait : tout ce qui y tombe disparaît sans laisser de trace. Mais la mécanique quantique murmure qu'au niveau microscopique, l'information n'est pas perdue, mais enregistrée sur une « surface » invisible. Comprendre cet enregistrement, c'est percer le secret de la gravitation.

Un trou noir en rotation n'est pas un paisible tourbillon. L'espace autour de lui tremble et résonne au moindre remous, comme une corde de guitare après un pincement. Ces oscillations sont décrites par l'équation de Teukolsky, une construction mathématique complexe que les physiciens étudient depuis un demi-siècle.

Un trou noir ne reste pas silencieux. Après une perturbation, il sonne comme une cloche, et cette sonnerie, ce sont ses modes quasi-normaux (des oscillations amorties).

D'habitude, on décrit un trou noir comme une image figée : il a une masse, une charge, et tout cela est immobile. Mais les objets réels vivent dans le temps. Ils rayonnent, perdent de l'énergie, changent. Les auteurs de cette nouvelle étude ont pris une solution statique pour un trou noir chargé dans une théorie complexe de la gravitation et l'ont « animée ».

Deux plaques métalliques dans le vide s'attirent sans aucun aimant ni charge. C'est l'effet Casimir : le vide n'est pas vide, des particules y naissent et disparaissent constamment, et entre les plaques, elles sont moins nombreuses qu'à l'extérieur. La différence de pression pousse les plaques l'une vers l'autre.

Une paire de trous noirs tourne dans une danse, se rapprochant progressivement. Ils perdent de l'énergie et de la rotation — ce processus est appelé émission de moment cinétique. Dans la théorie standard d'Einstein, seules les ondes gravitationnelles emportent le moment.

Un trou noir en rotation ressemble à un tourbillon dans une rivière : l'espace-temps s'enroule autour de lui, entraînant tout ce qui se trouve à proximité. Dans certaines théories de la gravité, s'ajoute à ce tourbillon un autre champ — vectoriel.

La toile tendue d'un trampoline se creuse sous le poids d'une boule lourde. Si la boule tourne rapidement, la toile commence à s'enrouler autour d'elle. C'est un peu ce que fait l'espace-temps près d'un trou noir en rotation : il n'est pas seulement courbé, il est aussi entraîné dans la rotation, comme l'eau autour d'un tourbillon.

Un trou noir cache généralement sa singularité sous un horizon des événements — une frontière invisible au-delà de laquelle même la lumière ne peut s'échapper.

Une pierre tombe dans un étang — les cercles se propagent et s'éteignent. On frappe une cloche — elle résonne sur sa note. Un trou noir, après une perturbation, « sonne » lui aussi, émettant des ondes gravitationnelles d'un ton amorti.

Le vide quantique n'est pas un vide absolu. C'est plutôt une membrane tendue qui oscille constamment à cause de particules invisibles qui naissent et disparaissent. Même dans l'obscurité totale, cette membrane tremble.

Toute rivière a une embouchure — l'endroit où l'eau rencontre la mer. L'espace-temps a aussi son « rivage » : on l'appelle l'infini futur, et il se trouve là où aboutissent tous les signaux, la lumière et les ondes gravitationnelles.

Un trou noir est un endroit où les règles habituelles volent en éclats. En son centre, selon la physique classique, se cache une singularité : un point de densité infinie vers lequel tout ce qui y tombe est attiré. La théorie quantique devait adoucir ce tableau.

Un trou noir ordinaire est entouré d'une fine sphère de photons — l'endroit où la lumière peut tourner en rond avant de tomber à l'intérieur ou de s'échapper.

Au centre de nombreuses galaxies se cachent des trous noirs géants en rotation. Les astrophysiciens soupçonnaient depuis longtemps que ces objets sont étonnamment résistants : après avoir avalé une étoile ou fusionné avec un autre trou noir, ils se calment rapidement et oublient la catastrophe.

Lorsque des corps massifs se déplacent avec accélération – disons deux étoiles qui tournent l'une autour de l'autre – l'espace autour d'eux ne reste pas calme. Il tremble, comme la surface d'un étang après qu'on y a jeté une pierre. Ces tremblements sont appelés ondes gravitationnelles. Ils emportent de l'énergie, et la source perd progressivement de la masse.

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.

On frappe un diapason avec un maillet — et il vibre, tandis que le son s'estompe progressivement. C'est à peu près ce qui se passe pour un trou noir lorsqu'on le perturbe : il émet des ondes gravitationnelles — des ondulations de l'espace lui-même — puis se calme.

Un trou noir n'est pas un mur sourd. Si on le frappe légèrement, il répond. Les physiciens appellent cela la « déformabilité de marée » — la capacité d'un objet à changer de forme sous l'effet d'une force externe. Pour un trou noir au repos, cette capacité est nulle : un champ statique ne le déforme pas. Mais dès que le champ dépend du temps, le trou noir se met à « sonner ».

Au cœur d'une étoile comprimée à l'extrême, les particules se comportent comme les cordes d'un instrument de musique insolite. Leurs oscillations obéissent à une équation complexe que personne n'avait pu résoudre exactement depuis près d'un siècle.

Le faisceau d'une lampe de poche s'en va dans l'obscurité en ligne droite — c'est ainsi que nous avons l'habitude de penser à la lumière. Mais près d'un corps massif, comme une étoile ou un trou noir, l'espace est courbé, et le faisceau se dévie doucement, comme s'il était guidé par une main invisible.

Une étoile à neutrons, c'est le vestige d'un géant explosé, compressé jusqu'à la taille d'une ville. Une cuillère à café de sa matière pèse un milliard de tonnes. À l'intérieur, les particules sont si densément tassées que les effets quantiques commencent à se manifester. L'un d'eux est la rotation propre des particules, ou spin.

Dans le monde quantique, les particules de matière noire peuvent fusionner en une seule goutte superfluide — un état où la matière s'écoule sans frottement, comme un fluide parfait.

Une toupie massive tourne si vite que l'espace lui-même s'enroule en spirale autour d'elle. C'est un trou noir — mais au lieu de bois et de métal, il est fait de pure gravité. Ajoutons-lui un champ électromagnétique inhabituel qui modifie légèrement les règles du jeu.

Si vous jetez un glaçon dans de l'eau bouillante, il fondra jusqu'à disparaître. C'est à peu près ce qui arrive à un trou noir dans l'espace, sauf que l'« eau bouillante » est ici l'espace lui-même, qui en extrait continuellement de l'énergie.

Deux boules électrisées s'attirent avec une certaine force. Si l'on remplace leurs charges par des pôles magnétiques, un dynamomètre à ressort indiquera exactement la même force. Avec les trous noirs, c'est la même histoire — sauf qu'au lieu de ressorts, c'est le tissu de l'espace-temps qui travaille.

Juste après le Big Bang, l'espace s'est dilaté à une vitesse inimaginable — c'est l'inflation. Aujourd'hui, l'expansion a ralenti, mais les galaxies s'éloignent de plus en plus vite. La coupable de cette accélération a été nommée énergie noire.

Les détecteurs modernes d'ondes gravitationnelles confirment que les trous noirs sont une réalité. L'espace-temps peut être comparé à un trampoline géant : les étoiles massives le creusent.

Dans le plasma incandescent de l'univers naissant, alors que l'espace lui-même vibrait encore de l'écho du Big Bang, des objets défiant la gravité elle-même ont pu surgir. Non pas les familiers trous noirs — mais des géants électriquement chargés, les astrones.

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.

Une pierre tombe dans un étang, et des cercles se propagent à la surface de l'eau. Si l'étang est agité, avec des vagues qui se croisent, le tableau se complique. C'est à peu près ainsi que se comporte l'espace autour d'un trou noir lorsqu'il est perturbé : il vibre, émettant des ondes gravitationnelles.

Les trous noirs ne sont pas de simples dévoreurs sans visage. Parfois, ils se comportent comme l'eau : ils peuvent « geler » ou « entrer en ébullition », modifiant leur état interne. Des scientifiques ont décrit ce phénomène en considérant la lumière près d'un trou noir comme un gaz.

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 feuille de papier pliée peut être percée avec un crayon — et le chemin entre deux points devient plus court. C'est à peu près l'idée d'un trou de ver : un tunnel dans l'espace reliant des régions éloignées.