Selon la théorie générale de la relativité d'Einstein, les trous noirs n'ont que trois propriétés observables: la masse, le spin (moment angulaire) et la charge . Des caractéristiques supplémentaires, ou, comme les physiciens les appellent, "cheveux", n'existent pas.
Pour expliquer l'idée, imaginez des jumeaux identiques. Ils ont le même génotype, ce sont des copies génétiques, mais même ces jumeaux diffèrent sur de nombreux points: 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, le spin et la charge. Si ces valeurs sont les mêmes pour deux trous noirs, alors elles sont identiques, il sera impossible de distinguer l'un de l'autre. Les trous noirs n'ont pas de cheveux.
«Selon la relativité générale classique, de tels trous noirs seraient absolument identiques», note Paul Chesler , physicien théoricien à l'Université Harvard.
Cependant, les scientifiques se demandent si le théorème sans cheveux est vrai. En 2012, le mathématicien Stefanos Aretakis , alors à l'Université de Cambridge et maintenant à l'Université de Toronto, a suggéré que certains trous noirs pourraient avoir des instabilités à l'horizon des événements.
Les instabilités donneraient à certaines parties de l'horizon du trou noir une attraction gravitationnelle plus forte que d'autres. Il s'avère que dans ce cas, même les trous noirs identiques seront distinguable .
Cependant, les équations d'Aretakis ont montré que cela n'est possible que pour les trous noirs dits extrêmes - ceux qui ont la valeur la plus élevée possible pour la masse, le spin ou la charge. Et, selon Chesler, de tels trous noirs ne peuvent exister dans la nature.
Mais disons qu'il existe un trou noir presque extrême qui s'approche des valeurs maximales, mais ne les atteint pas. Un tel trou noir pourrait exister, du moins en théorie. Cela réfuterait-il le théorème de l'absence de cheveux?
Un rapport publié fin janvier a montré que c'était possible.
De plus, les détecteurs d'ondes gravitationnelles terrestres peuvent capter ces poils.
«Aretakis a suggéré qu'il y a des informations qui restent à l'horizon», a commenté Gaurav Hanna , physicien à l'Université du Massachusetts et à l'Université du Rhode Island, l'un des co-auteurs de l'étude.
Les scientifiques pensent que les preuves de formation de trous noirs ou de perturbations ultérieures de l'horizon des événements (comme la chute de matériaux dans un trou noir) peuvent créer une instabilité gravitationnelle au niveau ou près de l'horizon des événements du trou noir presque extrême.
«Nous supposons que le signal gravitationnel que nous détectons sera très différent des trous noirs ordinaires, qui ne sont pas extrêmes», explique Hanna.
Si les trous noirs ont des cheveux, alors certaines informations sur leur passé sont conservées - cela affectera le célèbre paradoxe de l'information des trous noirs , qui a été formulé par Stephen Hawking, comme l'a noté Leah Medeiros , astrophysicienne à l'Institute for Advanced Study de Princeton.
Ce paradoxe révèle un conflit fondamental entre la relativité générale et la mécanique quantique, les deux piliers de la physique du XXe siècle.
Si nous réfutons l'une des conditions du paradoxe de l'information, nous pouvons résoudre le paradoxe lui-même. L'une des conditions est le théorème sans cheveux.
Les implications de cette découverte seront importantes. «Si nous pouvons prouver que l'espace-temps réel d'un trou noir à l'extérieur du trou noir est différent de ce que nous nous attendons à voir, alors je pense que cela fera une énorme différence pour la relativité générale», a déclaré Medeiros, co-auteur de l'octobre rapport. , qui se concentre sur la question de savoir si la géométrie observée des trous noirs correspond aux hypothèses.
La partie peut-être la plus intéressante de l'étude, cependant, est qu'elle ouvre la voie à la manière de combiner les observations des trous noirs et la physique fondamentale. Trouver des poils sur des trous noirs dans peut-être les laboratoires d'astrophysique les plus extrêmes de l'univers peut 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.
Il s'avère que les équations d'Einstein sont si complexes que nous découvrons chaque année de nouvelles propriétés.
Paul Chesler
«L'un des gros problèmes de la théorie des cordes et de la gravité quantique est que ces hypothèses sont difficiles à tester», dit Medeiros, «donc si nous avons quelque chose qui peut être vérifié même à distance, c'est incroyable.»
Cependant, il existe également de sérieux obstacles. Il n'y a aucune certitude quant à l'existence de trous noirs presque extrêmes. Selon Chesler, les meilleurs modèles du moment ont tendance à former des trous noirs qui sont 30% différents des valeurs extrêmes. Et même s'il existe des trous presque extrêmes, il n'est pas tout à fait clair si les détecteurs d'ondes gravitationnelles sont suffisamment sensibles pour détecter l'instabilité des cheveux.
De plus, les cheveux sont supposés être extrêmement fugaces et durer une fraction de seconde.
Mais le rapport lui-même semble solide. «Je ne pense pas que quiconque dans la communauté doute de cela», a déclaré Chesler.
La prochaine étape est de voir quels signaux nous allons détecter avec des détecteurs d'ondes gravitationnelles: nous travaillons actuellement avec LIGO et Virgo, mais de nouveaux instruments sont en cours de lancement, par exemple LISA, une expérience conjointe de l'Agence spatiale européenne et de la NASA sur le étude des ondes gravitationnelles.
«Maintenant, nous devrions nous fier à leur travail et calculer vraiment quelle sera la fréquence du rayonnement gravitationnel. Il est important de comprendre comment nous pouvons le mesurer et l'identifier », déclare Helvi Vitek , astrophysicien à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.
Bien que les chances de trouver des cheveux ne soient pas si grandes, une telle découverte jetterait le doute sur la théorie de la relativité générale d'Einstein et prouverait l'existence de trous noirs presque extrêmes.
«Nous aimerions savoir si la nature permet à une telle bête d'exister», dit Hannah.