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3D illustration tunnel or wormhole, tunnel that can connect one universe with another. Abstract speed tunnel warp in space, wormhole or black hole, scene of overcoming the temporary space in cosmos
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Traverser un trou de ver : réalité ou science-fiction ?

Guillaume Bossard
Guillaume Bossard
professeur chargé de cours en physique à l’École polytechnique (IP Paris)

Les trous de ver sont des incon­tourn­ables des films de sci­ence-fic­tion. Dans l’idée, ils per­me­t­traient à des voyageurs de l’espace de se déplac­er plus vite que la lumière entre deux points extrême­ment éloignés l’un de l’autre dans l’u­nivers. L’étude de la théorie clas­sique de la rel­a­tiv­ité générale d’Einstein mon­tre cepen­dant que ces « tun­nels » ne sont pas tra­vers­a­bles par la matière, et les physi­ciens ne savent tou­jours pas si des effets quan­tiques pour­raient infirmer cette con­clu­sion. Tout cela est néan­moins en train de s’éclaircir grâce à des études récentes, qui offrent des élé­ments de com­préhen­sion sur la façon dont des trous de ver pour­raient exis­ter dans une théorie quan­tique de la grav­i­ta­tion. Et ceci en résolvant le « para­doxe de l’information » de Hawk­ing1

Les trous noirs : portails de l’espace ? 

Les trous de ver sont générale­ment représen­tés comme un cylin­droïde reliant deux feuilles (ou plans) de l’u­nivers – un tun­nel entre deux trous noirs. Dans la descrip­tion dite clas­sique de la rel­a­tiv­ité générale (qui nég­lige les effets quan­tiques), il est impos­si­ble de tra­vers­er un trou de ver sans invo­quer des effets exo­tiques tels que le voy­age dans le temps.

De plus, si un trou de ver relie deux trous noirs et que les trous noirs absorbent tout ce qui se trou­ve près d’eux – même la lumière – ne serait-il pas pos­si­ble de pass­er à tra­vers tout en échap­pant à la force de la grav­ité de l’autre côté ? Pour expli­quer cela, cer­tains physi­ciens ont donc théorisé que des effets « quan­tiques forts » sont en jeu. C’est notam­ment le cas de Juan Mal­da­ce­na (Insti­tute of Advanced Study de Prince­ton) et Xiao-Liang Qi (Uni­ver­sité de Stan­ford)2, qui ont récem­ment pu con­firmer en par­tie cette hypothèse. 

Ce duo de physi­ciens a mon­tré dans un mod­èle très sim­pli­fié que l’on peut con­stru­ire des états quan­tiques d’« énergie néga­tive » pro­duisant un trou de ver tra­vers­a­ble. L’én­ergie néga­tive (que l’on croit d’ailleurs respon­s­able de l’ex­pan­sion accélérée de l’u­nivers) est l’én­ergie qui s’oppose à la force de grav­ité et qui main­tiendrait ouverte la « bouche » d’un trou de ver. 

Les effets quantiques

Ce qui est le plus intéres­sant physique­ment dans l’hypothèse de Mal­da­ce­na et Qi n’est pas tant la pos­si­bil­ité de trous de ver tra­vers­a­bles. Ce serait plutôt son apport au « para­doxe de l’in­for­ma­tion » énon­cé par Stephen Hawk­ing – un domaine de recherche très act­if34 !

Un trou noir est for­mé lorsqu’une étoile très mas­sive meurt, et que son noy­au résidu­el a une masse trois fois supérieure à celle du Soleil.

Un trou noir est for­mé lorsqu’une étoile très mas­sive meurt, et que son noy­au résidu­el a une masse trois fois supérieure à celle du Soleil. Les trous noirs de cette taille sont si dens­es qu’ils courbent l’e­space-temps qui les entoure à un tel point que rien ne peut s’en échap­per, pas même la lumière. Mais même si les trous noirs absorbent tout, Hawk­ing avait prédit en 1974 qu’ils pour­raient eux-mêmes émet­tre cer­taines par­tic­ules sous la forme d’un ray­on­nement (c’est le « ray­on­nement de Hawk­ing »)5. Ces par­tic­ules sont créées par des événe­ments dits « quan­tiques » se trou­vant en bor­dure du trou noir (l’horizon des évène­ments ou « le point de non-retour »).

Selon la théorie quan­tique, le vide de l’e­space n’est pas un véri­ta­ble vide, mais con­tient des « par­tic­ules virtuelles » : des paires com­posées d’une par­tic­ule sub­atomique et de son antipar­tic­ule (un élec­tron et un positron, par exem­ple). Ces par­tic­ules peu­vent appa­raître briève­ment dans une fluc­tu­a­tion quan­tique aléa­toire, avant de s’an­ni­hiler mutuellement. 

La sit­u­a­tion est toute autre à l’hori­zon des événe­ments où l’une des paires peut tomber dans le trou noir tan­dis que l’autre s’en échappe et devient une par­tic­ule réelle. Ce proces­sus puise de l’én­ergie (grav­i­ta­tion­nelle) du trou noir, ce qui dimin­ue sa masse effec­tive. Le trou noir s’évapore donc lente­ment, tan­dis que la radi­a­tion de Hawk­ing s’échappe de sa sur­face. Cette radi­a­tion est extrême­ment faible, et en théorie, un trou noir d’une masse solaire met­trait 1058 mil­liards d’an­nées à s’évaporer com­plète­ment – alors que l’u­nivers n’a même pas 14 mil­liards d’années. 

Les liens inextricables

Cette éva­po­ra­tion pose égale­ment un autre prob­lème théorique dif­fi­cile à résoudre et en lien avec l’« intri­ca­tion quan­tique » (un proces­sus par lequel des par­tic­ules devi­en­nent inex­tri­ca­ble­ment liées). Les par­tic­ules émis­es par le ray­on­nement de Hawk­ing sont intriquées avec l’état quan­tique décrivant le trou noir. Mais, si le trou noir finit par com­plète­ment s’évaporer – et donc par dis­paraître – cela met­trait fin à l’é­tat quan­tique per­me­t­tant aux par­tic­ules du ray­on­nement de Hawk­ing de s’intriquer. Donc, suiv­ant la théorie quan­tique, il devrait pou­voir se pro­duire une sit­u­a­tion dans laque­lle une par­tic­ule serait absorbée par le trou noir alors même que son antipar­tic­ule « s’évaporerait »…

Pour sur­mon­ter ce para­doxe appar­ent, les théoriciens pensent pour la plu­part que le ray­on­nement de Hawk­ing n’est max­i­male­ment intriqué avec le trou noir que pen­dant la pre­mière par­tie de son éva­po­ra­tion (à peu près sa « demi-vie »). Dans une sec­onde par­tie, le trou noir émet­trait un ray­on­nement intriqué avec le ray­on­nement émis aux pre­miers instants de sa vie. Ain­si, une fois qu’il s’est éva­poré, l’in­tri­ca­tion quan­tique ne serait qu’entre des par­tic­ules ray­on­nées à des moments dis­tincts dans le temps.

Les états semi-classiques 

Pour les physi­ciens, le défi est de fournir une expli­ca­tion quan­ti­ta­tive à ces idées en util­isant une théorie quan­tique de la grav­i­ta­tion. L’approche dite semi-clas­sique (appelée ain­si parce qu’elle décrit la matière dans et autour des trous noirs à l’aide de la théorie quan­tique, mais décrit la grav­ité à l’aide de la théorie clas­sique d’E­in­stein), con­sid­ère les effets quan­tiques comme faibles.

Per­son­ne n’a été en mesure de don­ner une descrip­tion sat­is­faisante de ce phénomène. Selon Mal­da­ce­na et Qi, l’explication se trou­ve dans l’idée que lorsqu’un trou noir est jeune, la descrip­tion clas­sique du ray­on­nement de Hawk­ing demeure. Mais, avec le temps, de nou­veaux états semi-clas­siques, impli­quant un trou de ver qui lie le trou noir au ray­on­nement qu’il a émis à ses débuts, devi­en­nent plus impor­tants. À mesure que le trou noir s’évapore, ces nou­veaux états finis­sent par inclure des trous de ver à l’ex­térieur du trou noir. Ces nou­veaux trous de ver décrivent l’intrication quan­tique entre les deux phas­es du rayonnement.

Finale­ment, ces trous de ver sont virtuels et il n’est pas ques­tion de les tra­vers­er, mais ils jouent un rôle impor­tant dans la descrip­tion du phénomène d’évaporation des trous noirs. Même si leurs mod­èles restent très sim­pli­fiés, les chercheurs peu­vent désor­mais décrire avec pré­ci­sion l’entropie d’in­tri­ca­tion – qui mesure le taux d’intrication entre le ray­on­nement et le trou noir – et de mon­tr­er qu’il suit une courbe dite de Page6, de telle sorte à résoudre le para­doxe de l’in­for­ma­tion de Hawking.

Propos recueillis par Isabelle Dumé
1https://​jour​nals​.aps​.org/​p​r​/​a​b​s​t​r​a​c​t​/​1​0​.​1​1​0​3​/​P​h​y​s​R​e​v​.​48.73
2https://​arx​iv​.org/​a​b​s​/​1​8​0​4​.​00491
3https://​arx​iv​.org/​a​b​s​/​1​9​1​1​.​12333
4https://​arx​iv​.org/​a​b​s​/​1​9​1​1​.​11977
5https://​www​.nature​.com/​a​r​t​i​c​l​e​s​/​2​4​8​030a0
6https://​jour​nals​.aps​.org/​p​r​l​/​a​b​s​t​r​a​c​t​/​1​0​.​1​1​0​3​/​P​h​y​s​R​e​v​L​e​t​t​.​7​1​.3743

Auteurs

Guillaume Bossard

Guillaume Bossard

professeur chargé de cours en physique à l’École polytechnique (IP Paris)

Les thèmes de recherche de Guillaume Bossard concernent divers aspects de la théorie des cordes et des théories de supergravité. Il étudie les trous noirs et les corrections quantiques à la gravitation à basse énergie, ainsi que des aspects mathématiques des symétries de dualité. Il a soutenu sa thèse sur les théorèmes de non-renormalisation en théorie quantique des champs supersymétriques au Laboratoire de physique théorique et des hautes énergies de l’Université Pierre et Marie Curie (devenue Paris Sorbonne) en 2007. Après un postdoctorat au Max-Planck Institut for Gravitational Physics de Potsdam en Allemagne, il intègre le CNRS au sein du centre de physique théorique de l’École Polytechnique où il est membre de l’équipe de Théorie des Cordes depuis 2010.