Stephen Hawking avait tort – Les trous noirs extrémaux sont possibles

Deux mathématiciens ont maintenant prouvé que Hawking et ses collègues avaient tort. Le nouveau travail, contenu dans une paire de récents articles de Christoph Kehle du Massachusetts Institute of Technology et Ryan Unger de Stanford University et de l’Université de Californie, Berkeley, démontre qu’il n’y a rien dans nos lois de la physique connues qui empêche la formation d’un trou noir extrême.

Leur preuve mathématique est « belle, techniquement innovante et physiquement surprenante », a déclaré Mihalis Dafermos, un mathématicien de l’Université de Princeton (et conseiller de doctorat de Kehle et Unger). Cela laisse entrevoir un univers potentiellement plus riche et varié, dans lequel « des trous noirs extrêmes pourraient être présents astrophysiquement », a-t-il ajouté.

Cela ne signifie pas pour autant qu’ils existent. « Juste parce qu’une solution mathématique existe avec des propriétés intéressantes ne signifie pas nécessairement que la nature l’utilisera », a déclaré Khanna. « Mais si nous en trouvons un d’une manière ou d’une autre, cela nous ferait vraiment réfléchir à ce que nous manquons. » Une telle découverte, a-t-il noté, a le potentiel de soulever « quelques questions assez radicales. »

Avant la preuve de Kehle et Unger, il y avait de bonnes raisons de croire que les trous noirs extrêmes ne pouvaient pas exister.

En 1973, Bardeen, Carter et Hawking ont introduit quatre lois sur le comportement des trous noirs. Elles ressemblaient aux quatre lois établies depuis longtemps de la thermodynamique – un ensemble de principes sacrés qui affirment, par exemple, que l’univers devient plus désordonné avec le temps et que l’énergie ne peut ni être créée ni détruite.

Dans leur article, les physiciens ont prouvé leurs trois premières lois de la thermodynamique des trous noirs : le zéro, le premier et le second. Par extension, ils ont supposé que la troisième loi (comme son homologue standard en thermodynamique) serait également vraie, même s’ils n’étaient pas encore en mesure de le prouver.

Cette loi stipulait que la gravité de surface d’un trou noir ne pouvait pas diminuer jusqu’à zéro en un laps de temps fini – en d’autres termes, qu’il n’y avait aucun moyen de créer un trou noir extrême. Pour étayer leur affirmation, le trio a soutenu que tout processus qui permettrait à la charge ou à la rotation d’un trou noir d’atteindre la limite extrême pourrait également entraîner la disparition totale de son horizon des événements. On pense généralement que les trous noirs sans horizon des événements, appelés singularités nues, ne peuvent pas exister. De plus, comme on sait que la température d’un trou noir est proportionnelle à sa gravité de surface, un trou noir sans gravité de surface n’aurait également pas de température. Un tel trou noir n’émettrait pas de rayonnement thermique – quelque chose que Hawking a par la suite proposé que les trous noirs devaient faire.

En 1986, un physicien nommé Werner Israel semblait avoir mis un terme à la question lorsqu’il a publié une preuve de la troisième loi. Imaginons que vous vouliez créer un trou noir extrême à partir d’un trou noir normal. Vous pourriez essayer de le faire en le faisant tourner plus vite ou en ajoutant plus de particules chargées. La preuve d’Israël semblait démontrer que cela ne pouvait pas contraindre la gravité de surface d’un trou noir à tomber à zéro en un laps de temps fini.

Comme Kehle et Unger allaient finalement le découvrir, l’argument d’Israël dissimulait une faille.

Kehle et Unger n’avaient pas l’intention de trouver des trous noirs extrêmes. Ils sont tombés dessus totalement par hasard.

Ils étudiaient la formation de trous noirs électriquement chargés. « Nous avons réalisé que nous pouvions le faire » – créer un trou noir – « pour tous les rapports charge/masse », a déclaré Kehle. Cela incluait le cas où la charge est aussi élevée que possible, une caractéristique d’un trou noir extrême.

Dafermos a reconnu que ses anciens étudiants avaient découvert un contre-exemple à la troisième loi de Bardeen, Carter et Hawking: ils avaient montré qu’ils pouvaient en effet transformer un trou noir typique en un trou noir extrême dans un intervalle de temps fini.

Kehle et Unger ont commencé avec un trou noir qui ne tourne pas et n’a pas de charge, et ont modélisé ce qui pourrait se passer s’il était placé dans un environnement simplifié appelé champ scalaire, qui suppose un fond de particules chargées uniformément. Ils ont ensuite bombardé le trou noir de pulsations du champ pour lui ajouter de la charge.