Trou blanc

L'image miroir d'un trou noir : comment on pourrait en faire un, et à quoi il ressemblerait

Une hypothèse : la physique la permet sur le papier, mais personne n'en a jamais vu. Tout suit la théorie telle qu'elle est.

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Étape par étape

Un trou noir, à l'envers

Les équations de la relativité générale fonctionnent pareil dans les deux sens du temps. Passez l'histoire d'un trou noir à l'envers et vous obtenez un trou blanc : quelque chose où rien ne peut entrer et qui projette de la matière.

Un trou noir est un endroit d'où rien, pas même la lumière, ne peut sortir. Les équations d'Einstein ne se soucient pas du sens du temps, elles ont donc une solution en miroir : un trou blanc, d'où sortent des choses et où rien ne peut entrer. Igor Novikov a proposé en 1964 que de tels objets puissent vraiment exister.

De loin, les deux se ressemblent. La gravité à l'extérieur d'un trou blanc est la même qu'à l'extérieur d'un trou noir de même masse : la lumière se courbe donc de la même façon et les planètes orbiteraient de la même façon. La différence est au bord : à l'horizon d'un trou noir tout entre, à celui d'un trou blanc tout sort.

On n'a jamais trouvé de trou blanc. Tout ici est de la théorie : l'image est un trou noir de dix Soleils, de 59 km de part en part, et la suite est ce que les équations disent de son image miroir.

Une carte, quatre régions

La solution complète des équations d'Einstein pour un trou noir isolé comporte quatre régions : notre univers, un trou noir, un trou blanc et un autre univers. Le trou blanc est dans le passé, le trou noir dans le futur.

En 1960, Kruskal et Szekeres ont trouvé la carte complète de l'espace autour d'un trou noir. Dessinée comme un diagramme où la lumière va toujours à 45 degrés, c'est un carré coupé par ses deux diagonales en quatre triangles. Notre univers est à droite et le temps monte.

Tout ce qui tombe depuis notre univers passe dans la région du haut, le trou noir. Tout ce qui est jamais sorti du trou blanc l'a fait depuis la région du bas, dans le passé. Rien de notre univers ne peut entrer dans le trou blanc, car cela reviendrait à remonter le temps.

Un trou noir fait par une étoile qui s'effondre n'a pas de région de trou blanc : la surface de l'étoile coupe la carte, et le trou blanc et le second univers n'y sont jamais. C'est pourquoi un trou blanc a besoin de sa propre histoire de formation possible.

Comment on pourrait en faire un

Rien de connu n'en produit. Une idée : une étoile qui s'effondre atteint l'état le plus dense que permet la gravité quantique, rebondit, et le trou noir devient un trou blanc. Le rebond est dessiné.

La théorie d'Einstein dit que la matière d'un trou noir s'effondre en un point de densité infinie, ce que presque personne ne croit. La gravité quantique à boucles, une tentative d'unir la gravité et la physique quantique, dit que l'espace ne peut pas être comprimé sous une taille minimale : l'effondrement s'arrête et rebondit, c'est une étoile de Planck.

L'autre idée est plus ancienne. Novikov a suggéré en 1964 que certaines régions de l'univers primitif avaient pris du retard sur l'expansion et avaient jailli tard comme trous blancs. Rovelli et Vidotto ont soutenu en 2018 que de minuscules restes de trous noirs évaporés pourraient être des trous blancs formant une part de la matière noire. Aucun n'a été vu.

La dernière milliseconde

Quand une étoile s'effondre en trou noir, sa surface, vue de loin, rampe vers l'horizon, rougit et s'éteint d'un facteur e tous les quarts de milliseconde, pour dix Soleils (Ames et Thorne, 1968). À l'envers, c'est un trou blanc qui s'ouvre : un disque sombre, puis une faible lueur rouge qui s'intensifie et devient blanc-bleu.

C'est une solution exacte, l'effondrement d'une boule de poussière à l'envers (Oppenheimer et Snyder, 1939). La surface de l'étoile sortirait de l'ombre, d'abord exactement à l'horizon puis de plus en plus haut, jusqu'à ce que toute l'ombre soit remplie de lumière.

L'ombre n'est donc pas noire longtemps : la lumière qui serait piégée peut sortir d'un trou blanc. Chaque partie de cette étape est dessinée d'après les équations. Personne n'a rien vu de tel.

Cela ne peut pas durer

Rien ne peut tomber dans un trou blanc, mais tout ce qui est près essaie. En 1974, Eardley a montré que la lumière tombant vers l'un d'eux s'accumulerait à son bord, gagnerait une énergie sans limite et le transformerait en trou noir.

L'horizon d'un trou blanc ne peut être que quitté, jamais franchi dans l'autre sens. Mais la matière et la lumière de l'extérieur se dirigent quand même vers lui, attirées par sa gravité, et ne peuvent entrer. Elles s'amassent donc à l'horizon, comme la circulation devant une barrière fermée.

Vue depuis la matière qui sort du trou blanc, cette foule de retardataires est comprimée et décalée vers le bleu sans limite. Douglas Eardley a montré en 1974 que même la plus faible chute apporte assez d'énergie pour faire s'effondrer le trou blanc en trou noir. Cette même année, Zel'dovich, Novikov et Starobinskii ont trouvé une seconde instabilité, d'origine quantique.

C'est pourquoi on n'attend pas de trou blanc éternel : s'il s'en formait un, il durerait peu. La coque bleu pâle dessinée ici représente la lumière qui tombe ; elle ne peut pas être vue.

Un trou blanc qu'on peut fabriquer

On peut faire un trou blanc pour des vagues. En 2011, Weinfurtner et ses collègues ont envoyé des vagues contre un courant rapide dans un canal d'eau : là où le courant les dépassait, elles étaient arrêtées, comme la lumière au bord d'un trou blanc.

Les vagues sur l'eau se propagent à une vitesse qui dépend de leur longueur. Faites couler l'eau plus vite sur une bosse lisse, et les vagues longues qui remontent le courant ralentissent jusqu'à ce que le courant égale leur vitesse. Là, elles ne peuvent aller plus loin : un bord que les vagues ne peuvent franchir, comme l'horizon d'un trou blanc pour la lumière.

À ce bord, les vagues longues sont changées en vagues courtes, l'analogue de ce qui arrive à la lumière à un trou blanc. L'équipe de Silke Weinfurtner l'a mesuré en 2011 (Physical Review Letters) et a trouvé que la conversion avait le caractère thermique prédit pour le rayonnement de Hawking. Rousseaux et ses collègues avaient vu une conversion semblable dans un bassin en 2008.

Ce n'est pas un vrai trou blanc : ni gravité ni lumière, seulement de l'eau. Mais les mathématiques sont les mêmes, et c'est pourquoi de tels bassins servent à tester des idées sur les trous noirs et blancs. Les vagues et le courant ici sont dessinés.

Le Big Bang était-il un trou blanc ?

À la plus grande échelle, le Big Bang ressemble à un trou blanc : un jaillissement de matière depuis un point. Certains physiciens pensent que notre univers est l'intérieur d'un trou noir qui a rebondi. Le rebond est dessiné.

L'intérieur d'une boule de poussière qui s'effondre est un univers fermé à l'envers, comme Oppenheimer et Snyder l'ont trouvé en 1939. Passez-le dans le sens du temps et la boule est un univers en expansion qui part d'un point : un Big Bang. Les deux sont les mêmes mathématiques, chacune le miroir de l'autre.

En 1972, Raj Pathria a suggéré que notre univers pourrait être l'intérieur d'un trou noir dans un univers plus grand. Nikodem Popławski a proposé en 2010 une version où le spin et la torsion arrêtent l'effondrement à l'intérieur de chaque trou noir et le font rebondir en un nouvel univers en expansion.

Ce sont des idées, pas des résultats. Rien de ce que nous pouvons mesurer ne les distingue du Big Bang standard, et l'univers réel s'étend de tous côtés à la fois, non en un jaillissement depuis un seul lieu.

Quelqu'un en a-t-il vu un ?

Non. Certaines idées disent que de minuscules trous blancs pourraient clignoter maintenant sous forme de sursauts radio rapides, ou se cacher sous forme de matière noire, mais aucun signal n'a été rattaché à l'un d'eux. Un trou blanc reste dans les équations.

Barrau, Rovelli et Vidotto ont suggéré en 2014 qu'un trou noir formé dans l'univers primitif pourrait rebondir aujourd'hui en trou blanc et émettre un sursaut d'ondes radio. Les sursauts radio rapides, éclairs de quelques millisecondes d'origine inconnue, ont des longueurs d'onde pas très éloignées de ce qu'ils ont estimé. C'est une hypothèse sur leur cause, sans preuve derrière.

Rovelli et Vidotto ont soutenu en 2018 que des trous blancs de la taille de Planck, laissés quand de minuscules trous noirs finissent de s'évaporer, pourraient former une part de la matière noire. De tels objets seraient bien trop petits pour être vus directement.

Un trou blanc est donc là où il a commencé : une image miroir dans les équations, sans observation qui l'exige et avec une bonne raison de ne pas durer. Les bassins montrent que les mathématiques sont justes ; que la nature en fasse un jour reste ouvert.