Les gravistars, hypothétiques alternatives aux trous noirs, pourraient finir par s'emboîter les unes dans les autres comme une poupée Matriochka russe – selon de nouveaux calculs combinant la mécanique quantique avec la théorie de la relativité générale d'Einstein. Si de tels objets exotiques existent, ils pourraient révéler leur présence dans des signaux d’ondes gravitationnelles.

Les trous noirs se forment par l’effondrement gravitationnel d’une grande étoile, ou éventuellement d’un nuage de gaz, dans une minuscule région où la gravité est si forte que même la lumière ne peut s’en échapper.

En 2001, les physiciens basés aux États-Unis Pawel Mazur ainsi que Émile Mottola a montré qu'en théorie, un autre objet pourrait se former d'un tel effondrement. Ils y sont parvenus en combinant les équations de champ d'Einstein – qui décrivent comment la matière et l'énergie affectent la géométrie de l'espace-temps – avec la mécanique quantique. Leur analyse a révélé que les fluctuations quantiques pourraient empêcher la formation d’une singularité de trou noir au cours des dernières étapes de l’effondrement gravitationnel, du moins en principe. Au contraire, un nouveau type d’objet bizarre appelé gravastar se formerait.

Pas d'horizon des événements

Gravastar est une contraction d'étoile gravitationnelle à condensat sous vide. D’une certaine manière, une gravastar est comme un trou noir. Ils ont tous deux des champs gravitationnels extrêmement puissants et peuvent tous deux émettre un rayonnement Hawking. Cependant, une gravastar n’a pas de singularité en son cœur, ni d’horizon d’événements au-delà duquel la lumière, la matière et l’information peuvent passer mais ne jamais revenir.

Au lieu de cela, une gravastar est une bulle de l’espace de De Sitter, qui est une description mathématique de l’espace rempli d’énergie négative. En tant que tel, il fournit un modèle simple qui est cohérent avec un univers en expansion piloté par l’énergie noire. Dans le modèle gravastar conventionnel, cette bulle de l'espace de De Sitter est initialement créée par les fluctuations quantiques et délimitée par une coque de matière infinitésimale.

"Un espace-temps de De Sitter veut s'étendre, mais dans une gravastar, il est entouré d'une coquille de matière qui veut plutôt s'effondrer", explique Luciano Rezolla, qui est président d'astrophysique théorique à l'Université Goethe de Francfort. "Équilibrer les deux comportements opposés conduit à un gravastar stable."

Gravastars imbriqués

Aujourd'hui, Daniel Jampolski, étudiant diplômé de Rezolla, a trouvé une nouvelle solution aux équations de champ qui décrit comment deux ou plusieurs gravistars peuvent être imbriquées les unes dans les autres comme une poupée Matriochka cosmique.

Jampolski et Rezolla appellent un tel phénomène nestar, qui est l'abréviation d'étoile imbriquée. La structure intérieure d'un nestar comporterait une bulle d'espace de Sitter, entourée d'une coquille de matière, qui est ensuite entourée d'un autre volume d'espace de Sitter entouré d'une autre coquille de matière, et ainsi de suite. De plus, plutôt que d’être infiniment minces, les coquilles de matière pourraient avoir une épaisseur substantielle, constituant dans certains cas pratiquement tout le rayon du nestar.

"Il existe certaines configurations du nestar qui sont données par un intérieur de Sitter infinitésimal - juste un point - suivi d'un intérieur de matière qui remplit essentiellement tout le nestar, puis il y a deux fines coques près de la surface, l'une constituée de l'espace de De Sitter. – le temps, l’autre de la matière », raconte Rezzolla Monde de la physique. "Comme dans ce cas, le nestar serait principalement constitué de matière, sa formation pourrait être moins exotique que dans le cas d'un intérieur complet de De Sitter."

Cependant, les gravistars restent hypothétiques, sans aucune preuve observationnelle de leur existence, ce qui devrait inciter à une certaine prudence. Paolo Pani, professeur de physique théorique à l'Université Sapienza de Rome, qui n'a pas participé à l'étude.

"Une question fondamentale est de savoir comment de telles solutions - des gravastars ordinaires ou imbriqués - peuvent être formées de manière dynamique, puisque nous ne disposons pas actuellement d'un modèle cohérent", explique Pani.

Sonner comme une cloche

Cependant, ne pas savoir comment se forment les gravastars n’exclut pas leur existence. En effet, ils pourraient exister dans des systèmes binaires compacts fusionnant et produisant des ondes gravitationnelles.

Lorsque deux objets massifs et compacts (tels que des trous noirs ou des étoiles à neutrons) s’entrecroisent en spirale, ils diffusent un signal d’onde gravitationnelle distinctif appelé gazouillis. Lorsque les objets fusionnent pour créer un trou noir, les ondes gravitationnelles émises ressemblent à la sonnerie atténuée d’une cloche qui sonne. Le gazouillis et la sonnerie de ces fusions ont été observés par les détecteurs d'ondes gravitationnelles LIGO – Virgo – KAGRA.

Une telle fusion pourrait également créer un gravastar ou un nestar, et Jampolski et Rezolla affirment que ceux-ci auraient des signaux de sonnerie distinctifs. Rezolla ajoute : « Un nestar sonnerait différemment d’un gravastar de même masse en raison de sa structure interne. » Plus précisément, les différentes coquilles où la matière et l'espace de De Sitter s'interfacent oscilleraient d'une manière particulière, distincte d'une gravastar régulière.

Avec 90 événements d'ondes gravitationnelles ayant été détecté jusqu'à présent et une autre campagne d'observation en cours, il existe de nombreuses données permettant de rechercher une signature gravastar.

"Jusqu'à présent, toutes les observations d'ondes gravitationnelles sont cohérentes avec l'hypothèse selon laquelle les objets sont des trous noirs ou des étoiles à neutrons", explique Pani. "Cependant, la durée d'effet est difficile à mesurer avec précision", ajoute-t-il, ce qui laisse une part d'incertitude.

Chauffer la coque

Une gravastar pourrait également se révéler par l’accrétion de matière à sa surface. Dans le cas d’un trou noir, la matière et la lumière disparaissent au-delà de l’horizon des événements. Télescope d'horizon d'événement a vu lorsqu’il a photographié les « ombres » des trous noirs supermassifs au centre des galaxies M87 et de la Voie lactée. Les Gravastars sont différents en ce sens qu'ils sont sans horizon. Alors qu'une certaine matière pourrait traverser la coque extérieure pour être absorbée par l'espace-temps de De Sitter à l'intérieur, davantage de matière pourrait avoir un impact sur la coque de surface, la rendant plus épaisse et la faisant chauffer et émettre de la lumière. Si le télescope Event Horizon devait un jour imager une gravistar en accrétion active, il verrait cette émission, bien que fortement décalée vers le rouge par la gravité.

Rezzolla admet que même si les mathématiques peuvent fonctionner, un modèle physique décrivant comment les gravastars et les nestars pourraient exister dans la réalité nous échappe encore.

"Nous n'avons vraiment pas une bonne idée de la façon dont les gravastars se forment [et] comme nous en savons si peu sur la matière qui constitue les gravastars, ces hypothèses sont difficiles à tester", explique Rezzolla.

Jampolski et Rezzolla décrivent leur nouvelle solution aux équations de champ d'Einstein dans la revue Gravité classique et quantique.

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• La source: https://physicsworld.com/a/could-gravastars-be-nested-inside-one-another-like-a-russian-doll/