Les trous noirs, ces entités cosmiques extrêmes, pourraient bien contenir les indices manquants pour résoudre l'un des plus grands mystères de la physique: l'unification entre la relativité générale et la mécanique quantique.
(À gauche) le trou noir relativement calme au centre de la Voie lactée
(À droite) le trou noir supermassif turbulent de M87
Crédit: EHT Collaboration
Depuis plus d'un siècle, la relativité générale d'Einstein décrit avec brio la gravitation à grande échelle. Pourtant, elle reste incompatible avec la mécanique quantique, qui régit les phénomènes à l'échelle des particules. Ce conflit devient inévitable lorsque l'on tente de comprendre ce qui se passe au cœur des trous noirs, où ces deux cadres théoriques doivent coexister.
Les trous noirs, issus directement des équations d'Einstein, forment un laboratoire naturel pour tester les limites de nos connaissances. Leur centre abrite une singularité, une zone de densité infinie où les lois connues cessent de fonctionner. Cette singularité suggère que la relativité générale est incomplète, et qu'une théorie de la gravité quantique est nécessaire pour aller plus loin.
C'est devant cette problématique que le physicien Xavier Calmet (Université du Sussex) et ses collègues ont proposé une nouvelle approche. En intégrant des corrections quantiques aux équations d'Einstein, ils ont obtenu des solutions inédites pour décrire les trous noirs. Leur méthode ne repose pas sur une théorie complète, mais offre une première étape concrète vers une description quantifiée de la gravité.
Ces solutions prédisent l'existence de trous noirs légèrement différents de ceux décrits par la relativité générale. Cependant, il reste actuellement très difficile de les distinguer avec nos moyens d'observation, notamment en raison de leur éloignement.
Leurs travaux, publiés dans
A Letters Journal Exploring the Frontiers of Physics, ouvrent une piste prometteuse pour concilier les deux grands piliers de la physique moderne. Même si les trous noirs gardent encore leurs secrets, ils pourraient bien être la porte d'entrée vers une théorie unifiée.
Qu'est-ce que la gravité quantique ?
La gravité quantique est une théorie en cours de développement qui cherche à unifier la relativité générale et la mécanique quantique. Chacune fonctionne dans son domaine, mais elles sont incompatibles lorsqu'on les applique ensemble, par exemple dans les régions de très forte gravité concentrée dans un espace minuscule.
Les théories candidates sont nombreuses, comme la théorie des cordes ou la gravité quantique à boucles, mais aucune n'a encore pu être vérifiée par l'expérience. L'enjeu est de comprendre des phénomènes extrêmes, comme ceux à l'intérieur des trous noirs ou lors du Big Bang.
Pourquoi les trous noirs sont-ils si importants pour la gravité quantique ?
Les trous noirs sont les seuls objets connus où les effets relativistes et quantiques deviennent simultanément dominants. Ils offrent un terrain unique pour tester des hypothèses sur la gravité quantique.
Leur centre théorique – la singularité – représente un échec de la relativité. Y intégrer les effets quantiques permettrait peut-être d'éviter cette singularité, et de mieux comprendre la structure intime de l'espace-temps.
Grâce à des instruments comme le Event Horizon Telescope, il devient possible d'observer des effets subtils autour des trous noirs. Ces données pourraient un jour discriminer entre les prédictions de la relativité classique et celles issues d'une gravité quantique.