Les vrais jumeaux n’ont rien sur les trous noirs. Les jumeaux peuvent être issus des mêmes schémas génétiques, mais ils peuvent différer de mille façons – du tempérament à la coiffure. Les trous noirs, selon la théorie de la gravité d’Albert Einstein, ne peuvent avoir que trois caractéristiques : la masse, la rotation et la charge. Si ces valeurs sont les mêmes pour deux trous noirs, il est impossible de distinguer un jumeau de l’autre. Les trous noirs, disent-ils, n’ont pas de cheveux.

"En relativité générale classique, ils seraient exactement identiques", a déclaré Paul Chesler, physicien théoricien à l'Université Harvard. "Vous ne pouvez pas faire la différence."

Pourtant, les scientifiques commencent à se demander si le « théorème sans cheveux » est strictement vrai. En 2012, un mathématicien nommé Stefanos Aretakis — alors à l'Université de Cambridge et maintenant à l'Université de Toronto — a suggéré que certains trous noirs pourrait avoir des instabilités sur leurs horizons événementiels. Ces instabilités donneraient effectivement à certaines régions de l’horizon d’un trou noir une attraction gravitationnelle plus forte que d’autres. Cela créerait des trous noirs autrement identiques distinguable.

Cependant, ses équations ont seulement montré que cela était possible pour les trous noirs dits extrémaux, ceux qui ont une valeur maximale possible pour leur masse, leur spin ou leur charge. Et pour autant que nous le sachions, « ces trous noirs ne peuvent pas exister, du moins exactement, dans la nature », a déclaré Chesler.

Mais que se passerait-il si vous aviez un trou noir quasi extrême, qui s’approche de ces valeurs extrêmes mais ne les atteint pas tout à fait ? Un tel trou noir devrait pouvoir exister, du moins en théorie. Pourrait-il y avoir des violations détectables du théorème sans cheveux ?

A article publié à la fin du mois dernier montre que c’est possible. De plus, ces cheveux pourraient être détectés par les observatoires d’ondes gravitationnelles.

"Aretakis a essentiellement suggéré qu'il y avait des informations qui restaient à l'horizon", a déclaré Gaurav Khanna, physicien à l'Université du Massachusetts et à l'Université de Rhode Island et l'un des co-auteurs. "Notre article ouvre la possibilité de mesurer ces cheveux."

En particulier, les scientifiques suggèrent que les restes de la formation du trou noir ou de perturbations ultérieures, telles que la chute de matière dans le trou noir, pourraient créer des instabilités gravitationnelles sur ou à proximité de l’horizon des événements d’un trou noir quasi extrême. "Nous nous attendrions à ce que le signal gravitationnel que nous observions soit très différent de celui des trous noirs ordinaires qui ne sont pas extrêmes", a déclaré Khanna.

Si les trous noirs ont effectivement des cheveux – conservant ainsi certaines informations sur leur passé – cela pourrait avoir des implications pour le célèbre paradoxe de l'information sur les trous noirs proposé par le regretté physicien Stephen Hawking, a déclaré Lia Medeiros, astrophysicien à l'Institute for Advanced Study de Princeton, New Jersey. Ce paradoxe distille le conflit fondamental entre la relativité générale et la mécanique quantique, les deux grands piliers de la physique du XXe siècle. "Si vous violez l'une des hypothèses [du paradoxe de l'information], vous pourrez peut-être résoudre le paradoxe lui-même", a déclaré Medeiros. "L'une des hypothèses est le théorème sans cheveux."

Les conséquences pourraient être vastes. "Si nous pouvons prouver que l'espace-temps réel du trou noir à l'extérieur du trou noir est différent de ce à quoi nous nous attendons, alors je pense que cela aura des implications vraiment énormes pour la relativité générale", a déclaré Medeiros, co-auteur de l'étude. un journal en octobre qui visait à déterminer si la géométrie observée des trous noirs était cohérente avec les prédictions.

L’aspect le plus intéressant de ce dernier article est peut-être qu’il pourrait fournir un moyen de fusionner les observations de trous noirs avec la physique fondamentale. Détecter des cheveux sur des trous noirs – peut-être le laboratoire d'astrophysique le plus extrême de l'univers – pourrait nous permettre d'explorer des idées telles que la théorie des cordes et la gravité quantique d'une manière qui n'a jamais été possible auparavant.

"L'un des gros problèmes de la théorie des cordes et de la gravité quantique est qu'il est très difficile de tester ces prédictions", a déclaré Medeiros. "Donc, si vous avez quelque chose qui est testable, même à distance, c'est incroyable."

Il existe cependant des obstacles majeurs. Il n’est pas certain qu’il existe des trous noirs quasi-extrémaux. (Les meilleures simulations actuelles produisent généralement des trous noirs qui sont à 30 % de l’extrême, a déclaré Chesler.) Et même si c’était le cas, il n’est pas clair si les détecteurs d’ondes gravitationnelles seraient suffisamment sensibles pour détecter ces instabilités à partir des cheveux.

De plus, les cheveux devraient avoir une durée de vie incroyablement courte, ne durant que quelques fractions de seconde.

Mais le document lui-même, du moins en principe, semble solide. "Je ne pense pas que quiconque dans la communauté en doute", a déclaré Chesler. « Ce n’est pas spéculatif. Il s’avère que les équations d’Einstein sont si compliquées que nous en découvrons chaque année de nouvelles propriétés.

La prochaine étape consisterait à déterminer quel type de signaux nous devrions rechercher dans nos détecteurs gravitationnels – soit LIGO et Virgo, en fonctionnement aujourd’hui, soit de futurs instruments comme les capteurs spatiaux de l’Agence spatiale européenne. Instrument LISA.

"Il faut maintenant s'appuyer sur leurs travaux et réellement calculer quelle serait la fréquence de ce rayonnement gravitationnel, et comprendre comment nous pourrions le mesurer et l'identifier", a déclaré Helvi Witek, astrophysicien à l'Université de l'Illinois, Urbana-Champaign. "La prochaine étape est de passer de cette très belle et importante étude théorique à ce qui en serait la signature."

Il existe de nombreuses raisons de vouloir le faire. Bien que les chances d’une détection qui prouverait l’exactitude de l’article soient minces, une telle découverte remettrait non seulement en question la théorie de la relativité générale d’Einstein, mais prouverait également l’existence de trous noirs quasi-extrémaux.

"Nous aimerions savoir si la nature permettrait même à une telle bête d'exister", a déclaré Khanna. "Cela aurait des implications assez dramatiques pour notre domaine."

Correction: 11 février 2021
La version originale de cet article impliquait que les théoriciens étaient incapables de simuler des trous noirs à moins de 30 % de leur position extrême. En fait, ils peuvent simuler des trous noirs quasi-extrémaux, mais leurs simulations typiques sont à 30 % près d’être extrêmes.