Trou de ver
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À partir des équations de la relativité générale, en 1935 Einstein et Rosen découvraient que les singularités de l'espace-temps formaient en réalité des puits gravitationnels de densité et de courbure d'espace-temps infinis. Cette image fut reprise plus tard pour illustrer la géométrie des trous noirs. Les trous de ver font partie de cette famille.
À l'heure actuelle il existe différents types de trous de ver. Tous sont des solutions mathématiques plutôt que des objets réalistes :
- le trou de ver de Schwarzschild, infranchissable ;
- le trou de ver de Reissner-Nordstrøm ou Kerr-Newman, franchissable mais dans une seule direction, pouvant contenir un trou de ver de Schwarzschild ;
- le trou de ver de Lorentz à masse négative, franchissable dans les deux directions.
Il existe des trous de ver à symétrie sphérique, tels ceux de Schwarzschild et de Reissner-Nordstøm, qui ne sont pas en rotation, et des trous de ver tels ceux de Kerr-Newmann qui tournent sur eux-même.
Si vous essayez de fabriquer un trou de ver à partir de matière à masse positive, il explosera en éclats. Si une matière à masse négative existe (Matière exotique), on peut en principe élaborer un trou de ver statique en accumulant des masses négatives.
La théorie d'Einstein précise que vous pouvez fabriquer n'importe quelle type de géométrie spatio-temporelle, statique ou dynamique. Toutefois, une fois la géométrie définie, ce sont les équations d'Einstein qui vous diront quel devra être le tenseur d'énergie-impulsion de la matière pour obtenir cette géométrie. En général les solutions de trous de ver statiques requièrent une masse négative.
Dans tous les cas, la matière y étant soumise à une densité extrême et réduite à l’échelle de Planck, il n’y avait plus qu’un pas infinitésimal à franchir pour soumettre cet environnement aux fluctuations d'énergie de la théorie de la gravitation quantique.
C’est ainsi que certains chercheurs soutiennent que les singularités peuvent déboucher sur des trous blancs ou fontaines blanches où jaillirait la matière rendue à sa liberté. Malheureusement un trou blanc viole le second principe de la thermodynamique qui veut que dans un système fermé ou dissipatif l'entropie ne peut pas décroître (dans ce contexte, on ne peut pas créer de la matière à partie de rien, on a un effet mais pas de cause).
Sur le plan structurel, un trou de ver obéit à la géométrie de Schwarzschild ou de Kerr. Il consiste en une singularité (un trou noir) opposée à un trou blanc entre lesquels se trouve un trou de ver qui relie les horizons de deux univers.
C'est John Wheeler en 1956 qui décrivit les propriétés de ces connexions et les baptisera « trous de ver », (wormholes). Quelques années plus tard à l’université Harvard, Stephen Hawking et Richard Coleman reprirent le concept de Wheeler et suggérèrent que l'espace-temps pouvait être soumis à l'effet tunnel précité, reprenant l'idée avancée par Hugh Everett III. À l'instar des électrons qui peuvent sauter d'un point à l'autre de l'espace, l'Univers ferait de même. L'effet tunnel créerait des ouvertures dans l'espace-temps qui conduiraient à d'autres univers, des univers cul-de-sac ou tout aussi vastes que le nôtre.
Einstein et Rosen proposaient sérieusement que les singularités pouvaient mener à d'autres endroits de l'Univers, d'autres régions de l'espace et du temps. Ces connexions spatio-temporelles sont connues sous le nom de « ponts d'Einstein-Rosen ». Mais ni l'un ni l'autre n'entrevoyaient une possibilité d'entretenir ces connexions en raison du caractère instable des fluctuations quantiques. Comme le disait John L. Friedman de l'université de Californie à Santa Barbara il s'agit d'une censure topologique.
Ces trous de vers dits de Lorentz requièrent de la matière exotique pour rester ouverts car elle demande moins d'énergie que le vide quantique qui subit des fluctuations d'amplitude variables. Il peut s'agir d'énergie négative par exemple, de l'antimatière qui maintiendrait l'ouverture du trou de ver loin de l'horizon. L'ouverture elle-même présente une pression de surface positive afin de la maintenir ouverte durant les transferts et éviter qu'elle ne s'effondre. Seul problème personne ne sait comment stocker autant d'antimatière et suffisamment longtemps au même endroit pour entretenir ce tunnel dans l'espace-temps.
Du fait qu'un trou de ver permet en théorie à la lumière d'émerger ailleurs dans l'espace-temps, Matt Visser de l'université de Washington et David Hochberg du Laboratoire d'astrophysique spatiale et de physique fondamentale de Madrid pensent qu'une sorte d'antigravité doit œuvrer dans ce phénomène.
Les deux chercheurs ont découvert que les trous de vers dynamiques présentaient deux ouvertures, une dans chaque direction temporelle, phénomène qui fut à l'origine d'une confusion. Un hypothétique voyageur pourrait paradoxalement traverser un trou de ver par le milieu sans atteindre l'ouverture opposée ! La raison de ce problème vient du fait qu'il n'existe pas encore une bonne représentation physique de la dynamique d'un trou de ver qui demeure un objet complexe à quatre dimensions. Les images représentées ci-dessus sont en réalité uniquement valables pour les trous de vers qui n'évoluent pas dans le temps.
NB. On peut toutefois représenter leur géométrie complexe graphiquement et simuler leur dynamique en traçant leurs lignes d'univers dans des diagrammes d'espace-temps de Kruskal (voir liens externes).
Pour approfondir les conséquences de la relativité générale, Kip Thorne et Richard Morris du Caltech tentèrent de découvrir par le biais de la physique quantique de nouvelles particules capables d'entretenir les trous de ver de Wheeler. Bientôt l'espace-temps foisonna de « sas de liaisons » que des « voyageurs de Langevin » exploraient au gré de leurs excursions sidérales. La littérature de science-fiction était aux anges mais éloignait peut-être Carl Sagan ou Isaac Asimov de la réalité. Nous entrons là dans un domaine très hypothétique et inaccessible à l’heure actuelle, sauf aux équipes de Deep Space 9, Stargate SG-1 et autres Sliders.
Entouré de quelques astronomes, l'astrophysicien anglais John Gribbin considérait en 1977 que les fontaines blanches étaient une réalité : le phénomène d'expansion de l'Univers n'a-t-il pas pour origine un Big Bang, issu d'une singularité; les quasars ne sont-ils pas entretenus par des trous noirs ? Développées autour de notions théoriques, ces idées seront bientôt du ressort de la philosophie... Certains cosmologistes, tel Gerard 't Hooft estiment même qu'une théorie devrait interdire de tels concepts !
Selon John Wheeler, deux singularités pourraient être reliées dans l’hyperespace par un trou de ver, sorte de sas entre deux régions éloignées de l’univers. Seul inconvénient, nul ne sait comment entretenir un tel passage et lui donner une taille macroscopique. En effet ce « pont » dans l’hyperespace est à l’échelle de Planck : il mesure 10-33 cm et est instable; il se referme sur lui-même en l’espace de 10-43 seconde ! Pire, si on essaye de l’agrandir, il s’autodétruit... Comme aiment le dire les physiciens, le trou de ver appartient à l’« écume quantique » et obéit aux lois probabilistes.
Totalement différent d’une singularité, un trou de ver est « nu », il demeure visible aux yeux de tous et plus extraordinaire encore, il permet de voyager dans le temps en fonction du sens que l’on prend. Ce qui explique son attrait... tout théorique car il faudra encore longtemps aux physiciens pour passer au stade expérimental.
[modifier] En fiction
Le concept des trous de ver est très utilisé en science-fiction pour autoriser le voyage dans le temps. Dans la série Sliders, un tel passage est appelé par erreur « Pont Einstein-Rosen-Podolski » au lieu de « ponts d'Einstein-Rosen », par confusion avec le paradoxe Einstein-Podolsky-Rosen, qui lui n'a rien à voir avec les trous de ver. Curieusement, le nom est resté chez quelques vulgarisateurs. Podolsky a donc vu son nom associé à un objet particulier de la relativité générale sans avoir travaillé dans ce domaine.
[modifier] Publications
- Stephen Hawking, Une belle histoire du temps, Flammarion, 2005
- A.S.Hawking/R.Penrose, La nature de l'espace et du temps, Roger Penrose, Stephen Hawking, Gallimard, 2003
- Stephen Hawking, Trous noirs et bébés univers et autres essais, Odile Jacob, 2000
- Kip Thorne et Stephen Hawking, Trous noirs et distorsions du temps, Flammarion, 1996
- M.Begelmen/M.Rees, Gravity’s Fatal Attraction : Black Holes in the Universe, W.H.Freeman, 1996
- S.Shapiro et S.Teukolsky, Physical Review, 66, 1990, p994.
- S.Shapiro et S.Teukolsky, Science, 241, 1988, p421
- R.Morris et K.Thorne, American Journal of Physics, 56,1988, p395
- K.Thorne et al., Physical Review letter, 61, 1988, p1446
- A.Einstein et N.Rosen, Physical Review, 48, 1935, p73
- H.Everett III, Reviews of Modern Physics, 29, 1957, p454
[modifier] Liens externes
- White holes and Wormholes, Andrew Hamilton, Université du Colorado
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