Trou de ver

Un tunnel dans l'espace : comment on pourrait le tenir ouvert, 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 raccourci dans l'espace

Un trou de ver serait un tunnel dans l'espace reliant deux lieux éloignés. La relativité générale en permet la forme, mais personne n'en a jamais vu. De l'extérieur, il ressemblerait à une boule contenant un autre ciel.

Les équations de la gravitation d'Einstein ne l'interdisent pas. En 1935, Einstein et Rosen ont trouvé un « pont » reliant deux régions de l'espace, et en 1957 Misner et Wheeler ont appelé ces tunnels des trous de ver, d'après le raccourci qu'un ver creuse dans une pomme entre deux points de sa peau.

C'est le type le plus simple qu'on pourrait traverser, trouvé par Homer Ellis et Kirill Bronnikov en 1973. Il a une forme mais pas d'attraction : rien à l'intérieur ne vous tire ni ne vous étire. Sa partie la plus étroite, le col, est une sphère, et de part et d'autre l'espace s'ouvre à plat.

Chaque rayon de lumière de cette image est suivi à travers la géométrie du trou de ver, comme le dit la relativité générale. Le trou de ver lui-même est de la théorie : rien de ce qu'on voit dans le ciel ne laisse penser qu'il en existe un.

Deux bouches, un col

Le dessin dans le coin est une astuce courante. Pour montrer comment l'espace se courbe, on enlève une direction et ce qui reste est dessiné comme une surface courbe, chaque point représentant un cercle d'espace. La surface de ce trou de ver est une caténoïde, la forme que prend un film de savon entre deux anneaux : plus étroite au milieu, s'évasant vers l'espace plat de chaque côté.

Le point doré, c'est vous. La direction en plus n'est qu'une aide au dessin ; rien dans la théorie n'exige que l'espace se courbe vers elle. Un seul nombre fixe la taille du trou de ver, le rayon de son col, et de lui dépend l'aspect de tout le reste. Kip Thorne et Christopher Nolan ont choisi 1 km pour celui d'Interstellar.

Loin du col, le tunnel n'a presque aucun effet : une sphère y a presque l'aire d'une sphère dans l'espace plat. C'est pourquoi, de loin, chaque bout ressemble à de l'espace ordinaire avec un trou rond.

Ce qui le maintient ouvert

Laissé à lui-même, un tunnel comme celui-ci se refermerait avant que rien ne puisse le traverser. Morris et Thorne ont montré en 1988 que seule une matière d'énergie négative pourrait le maintenir ouvert. Elle est dessinée en violet.

La matière ordinaire fait que la gravité attire. Pour garder un col ouvert, la gravité doit y pousser vers l'extérieur, ce qui demande une matière d'énergie inférieure à zéro, dite exotique. Elle devrait remplir l'espace autour du col, plus dense au milieu et s'amenuisant avec la distance.

Les premiers tunnels trouvés, les ponts d'Einstein et Rosen, sont en réalité des trous noirs vus des deux côtés, et ils se pincent plus vite que la lumière ne peut les traverser, comme l'ont montré Fuller et Wheeler en 1962. Morris et Thorne ont renversé le problème en 1988 : choisir le tunnel qu'on veut, puis chercher ce qui devrait le remplir.

La question est venue d'un roman. Carl Sagan, en écrivant Contact, a demandé à Thorne un moyen pour son héroïne de traverser la galaxie sans enfreindre la physique, et Thorne et son étudiant Mike Morris ont répondu par les trous de ver. La lueur violette est dessinée : personne ne sait comment une telle matière serait agencée.

Énergie négative

En 1948, Hendrik Casimir a prédit que deux plaques métalliques non chargées, très proches dans le vide, seraient poussées l'une vers l'autre par la façon dont elles changent les fluctuations quantiques du vide. Entre elles, la densité d'énergie est inférieure à zéro. Lamoreaux a mesuré la poussée en 1997, et Mohideen et Roy en 1998 à un pour cent près.

C'est réel, mais minuscule. Pour un intervalle d'un micromètre, la densité est d'environ −4 × 10⁻⁴ joules par mètre cube. Un trou de ver de 1 km de rayon demanderait environ −5 × 10³⁶ à son col, et environ une masse solaire d'énergie négative en tout : à peu près la masse d'un Jupiter par mètre de rayon du col.

La théorie quantique limite aussi la quantité d'énergie négative qu'on peut rassembler et pendant combien de temps, comme l'ont montré Ford et Roman dans les années 1990. Que la nature permette d'agencer ainsi la matière est inconnu, et elle pourrait tout simplement l'interdire.

Faire grandir un col

Wheeler a suggéré qu'aux plus petites tailles, près de la longueur de Planck de 1,6 × 10⁻³⁵ m, l'espace n'est pas lisse mais mousse, avec des bulles et des anses qui s'ouvrent et se ferment sans cesse. Certaines de ces anses seraient des trous de ver, bien trop petits pour compter et disparus en un instant.

Morris et Thorne, puis Matt Visser, se sont demandé si une civilisation bien au-delà de la nôtre pourrait en attraper un et le gonfler. Aucun processus connu ne le fait. Une idée plus récente, appelée ER=EPR (Maldacena et Susskind, 2013), dit que deux particules intriquées sont reliées par un minuscule trou de ver ; c'est une conjecture, pas un résultat.

En 2022, l'ordinateur quantique de Google a exécuté un modèle du comportement d'un trou de ver (Jafferis et autres, dans Nature) : un signal envoyé à un bout est ressorti à l'autre, comme le dit la théorie. Mais c'était une simulation sur quelques qubits d'un jouet simplifié de gravité quantique. Aucun espace n'a été percé.

La recette, dans l'ordre

1. Attraper un minuscule trou de ver. À la longueur de Planck, 1,6 × 10⁻³⁵ mètre, l'espace pourrait mousser de minuscules anses, comme Wheeler le supposait en 1955, ou des particules intriquées pourraient être reliées par des trous de ver (ER=EPR, 2013). Rien ne montre que l'un ou l'autre soit une chose qu'on puisse saisir.

3. Le remplir de matière exotique. Le col demande environ la masse d'un Soleil en énergie négative, presque toute autour du col : quelque 10⁴⁰ fois la densité de l'effet Casimir, dans un agencement qu'aucune matière connue ne prend.

4. Le garder stable. Shinkai et Hayward ont montré en 2002 qu'un col perturbé s'effondre en trou noir ou explose, donc il faudrait un contrôle actif. Chaque étape est une exigence des mathématiques, pas une machine.

À quoi il ressemblerait

De l'extérieur, ce serait une boule de ciel d'un autre lieu. Il n'a pas de masse qui attire, mais sa forme courbe la lumière : les étoiles derrière lui sont écartées, et à son bord le ciel lointain est comprimé en fins anneaux brillants.

La lumière suit les chemins les plus courts dans l'espace courbe. Un rayon visé vers le milieu du col le traverse tout droit ; un rayon qui frôle le bord est courbé autour, et certains font le tour plusieurs fois avant de repartir. Cette image suit chaque rayon comme le dit la relativité générale. L'équipe d'Interstellar a fait de même (James et autres, 2015).

L'énergie négative du trou de ver agirait comme une lentille qui écarte la lumière. En 1995, Cramer et ses collègues ont suggéré qu'un trou de ver passant devant une étoile lointaine la ferait briller selon un profil qu'aucune masse ordinaire ne produit. Les recherches n'ont rien trouvé.

L'autre ciel est dessiné : ce bout pourrait s'ouvrir n'importe où. Ici, c'est une autre galaxie, pour qu'on distingue les deux ciels.

En le traversant

Visez le milieu et vous passez tout droit. Devant vous, la boule de l'autre ciel s'ouvre jusqu'à être partout. Au col, la moitié du ciel autour de vous est chaque lieu. Rien ne vous tire.

Dans ce trou de ver, rien ne vous entraîne : il n'a presque pas de gravité, ni les marées qui vous étireraient près d'un trou noir. Vous ne remarquez que le ciel qui change. Le col est l'endroit où la vue se partage : une moitié est le lieu que vous avez quitté, l'autre le lieu où vous allez.

Regardez le bord de la boule en approchant. La lumière qui frôle le col en fait plusieurs fois le tour avant de vous atteindre ; les mêmes étoiles se répètent donc en anneaux de plus en plus fins, l'un dans l'autre. Le vol est ici accéléré.

À la vitesse d'un avion de ligne, environ 250 mètres par seconde, vous couvririez le dernier kilomètre avant le col en quatre secondes. Le passage ressemble plus à un changement de scène qu'à une chute.

L'autre côté

Sorti par l'autre bout, retournez-vous : le lieu d'où vous venez est maintenant une boule de ciel derrière vous. Un trou de ver a deux bouches, et chacune paraît pareille de son côté.

L'autre bouche est tout aussi ronde et tout aussi petite. Vue d'elle, la bouche que vous avez quittée est une boule contenant un morceau de notre ciel, courbé de la même façon. Rien ne dit quel bout est lequel.

Où se trouve l'autre bouche, c'est l'affaire du trou de ver. Elle pourrait être à côté, de l'autre côté de la galaxie ou, comme certains l'ont imaginé, dans un autre univers : les équations ne le disent pas. C'est tout l'intérêt de l'idée. La distance le long du tunnel n'a rien à voir avec la distance à l'extérieur, si bien qu'un tunnel court pourrait relier des lieux distants d'années-lumière.

Une machine à remonter le temps ?

Emmenez une bouche en voyage rapide aller-retour et son horloge prend du retard sur celle de l'autre ; traversez et vous ressortez plus tôt. Morris, Thorne et Yurtsever l'ont montré en 1988. Hawking a soutenu en 1992 que la nature l'empêche.

Le temps s'écoule plus lentement pour ce qui se déplace près de la vitesse de la lumière. Emmenez une bouche en voyage rapide aller-retour et ramenez-la près de l'autre : leurs horloges ne s'accordent plus, du temps que le voyage a économisé. Les bouches sont à des moments différents mais au même endroit.

Entrez par la bouche la plus tardive et vous sortez par la plus précoce : un chemin vers le passé, et une boucle où vous pourriez vous rencontrer vous-même. C'est une courbe fermée de genre temps, ce dont ont besoin les histoires de voyage dans le temps. Morris, Thorne et Yurtsever ont fait remarquer en 1988 qu'un trou de ver, une fois fabriqué, pourrait en devenir une.

Stephen Hawking a proposé en 1992 sa conjecture de protection de la chronologie : les fluctuations quantiques du vide s'accumuleraient juste au moment où la machine deviendrait possible, croîtraient sans limite et détruiraient d'abord le trou de ver. Les calculs jusqu'ici concordent, mais personne n'a de preuve complète.

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

Non. On a cherché des trous de ver dans la lumière des étoiles, dans les ondes gravitationnelles et près du trou noir de notre galaxie, et toutes les recherches sont revenues vides. Cela reste une idée que la relativité générale permet, pas une chose dont on sait qu'elle existe.

Les recherches de lentilles n'ont trouvé aucune étoile s'éclairant comme le devrait un trou de ver. Quand deux trous noirs fusionnent, un trou de ver à leur place enverrait des échos d'ondes gravitationnelles ; les recherches dans les données de LIGO, Virgo et KAGRA n'en ont trouvé aucun signe convaincant.

Les images des trous noirs de M87 et de notre propre galaxie, faites par l'Event Horizon Telescope, s'accordent avec des trous noirs. Elles ne peuvent pas encore écarter toutes les alternatives, mais rien en elles n'exige un trou de ver.

Un trou de ver reste donc là où il est né, dans les équations. Ce qu'il nous a appris est réel malgré tout : comment l'espace peut être façonné, et combien de choses possibles sont retenues par le besoin d'énergie négative.