Les trous noirs sont réputés pour entrer en collision et fusionner en de plus grands. Cependant, un trou noir pourrait-il se déchirer et devenir deux trous noirs ?
Une nouvelle étude théorique explorant la réponse à cette question suggère qu’un trou noir tournant presque aussi vite que la physique le permet pourrait être capable de se diviser, bien que les lois régissant les trous noirs rendent une telle rupture extrêmement difficile.
Les résultats pourraient aider les scientifiques à comprendre les limites de la théorie de la relativité générale d’Einstein et à déterminer si les trous noirs peuvent se comporter d’une manière qui remet en question notre compréhension actuelle de l’univers.
« Notre analyse clarifie le paysage théorique dans lequel les trous noirs peuvent se fragmenter, ce qui est particulièrement pertinent pour les trous noirs primordiaux et les événements catastrophiques tels que les fusions de trous noirs », notent les auteurs de l’étude.
Pourquoi les trous noirs résistent à la division
L’un des obstacles majeurs est l’entropie, une mesure du nombre d’arrangements microscopiques qu’un système peut avoir tout en paraissant identiques de l’extérieur.
Pour un trou noir non rotatif, l’entropie augmente avec le carré de sa masse. Diviser un trou noir en deux trous plus petits ayant la même masse combinée réduirait donc leur entropie totale, rendant le processus thermodynamiquement défavorable.
Les chercheurs ont étudié si certaines conditions pouvaient surmonter cet obstacle.
« Dans notre étude, nous étudions quelles lois physiques empêchent normalement un trou noir de se diviser en deux. Nous étudions également si certaines circonstances peuvent permettre une scission », a déclaré Francesco Sannino, co-auteur de l’étude et professeur de physique à l’Université Federico II de Naples.
La rotation extrême offre une échappatoire étroite
Les chercheurs ont découvert que les trous noirs en rotation rapide pourraient permettre de contourner la barrière d’entropie.
La rotation modifie la relation entre la masse, le moment cinétique et l’entropie d’un trou noir, rendant potentiellement la fragmentation plus favorable qu’elle ne le serait pour un trou noir non rotatif. Les chercheurs peuvent étudier cette propriété grâce à des méthodes telles que la mesure de la rotation des trous noirs.
Cependant, satisfaire à l’exigence d’entropie ne suffit pas. Les deux trous noirs qui en résultent doivent également avoir suffisamment d’énergie et d’élan pour se séparer au lieu de retomber ensemble.
Une fois que les chercheurs ont pris en compte cette exigence, la fenêtre d’une scission s’est considérablement réduite, ne restant potentiellement ouverte que pour les trous noirs tournant près de leur vitesse maximale possible.
Si une division se produisait, l’horizon du trou noir – la limite au-delà de laquelle la lumière ne peut pas s’échapper – se diviserait en deux horizons distincts. Tracée à travers le temps, cette géométrie changeante ressemblerait à un pantalon, dont une section se ramifierait en deux jambes. C’est l’origine du terme inhabituel utilisé dans l’étude, « topologies de paire de pantalons ».
Une physique inconnue pourrait-elle changer le résultat ?
Les chercheurs ont également exploré des scénarios plus exotiques impliquant des dimensions spatiales supplémentaires et des théories allant au-delà de la relativité générale d’Einstein. Dans une gravité dimensionnelle supérieure, certains objets ressemblant à des trous noirs, tels que les cordes noires, peuvent devenir instables et se fragmenter.
Dans certaines conditions, la division peut devenir thermodynamiquement favorable, en particulier lorsqu’un fragment résultant est beaucoup plus petit que l’autre.
Cependant, un bilan entropique favorable ne prouve pas que la fragmentation se produira réellement. Les calculs identifient des conditions possibles, et non un mécanisme confirmé de division des trous noirs ordinaires.
« Nous ne pouvons pas encore donner une seule probabilité qu’un trou noir se divise. Cela dépend du comportement de la gravité au-delà de la théorie d’Einstein, et nous travaillons à quantifier cela », a déclaré Sannino.
« Nous nous attendons à ce que les petits trous noirs primordiaux soient plus sujets à la division que les trous noirs astrophysiques beaucoup plus grands. Nous pouvons détecter une scission indirectement : les télescopes à rayons gamma tels que Fermi-LAT peuvent rechercher des signaux provenant de minuscules fragments de trous noirs qui pourraient se former lors des fusions », a-t-il ajouté.
La prochaine étape consiste à quantifier la probabilité d’une fragmentation selon différents modèles de gravité. Si de minuscules trous noirs primordiaux peuvent se diviser, leurs signatures potentielles pourraient offrir un moyen indirect d’étudier le processus.
Pour l’instant, les travaux de recherche établissent une possibilité théorique dans des conditions restrictives, mais ne prouvent pas qu’un trou noir ait jamais été divisé en deux.
L’étude est publiée dans la revue Examen physique D.
