Une étude suggère que le Big Bang pourrait avoir commencé par un rebond à l’intérieur d’un trou noir
(port.ac.uk)- Un nouvel article publié dans Physical Review D interprète le Big Bang non comme le point de départ de tout, mais comme le résultat d’un rebond (bounce) survenu à l’intérieur, après l’effondrement gravitationnel ayant formé un trou noir extrêmement massif
- La cosmologie standard explique la structure et l’évolution de l’univers par le Big Bang, l’inflation cosmique et l’énergie noire, mais laisse des problèmes fondamentaux non résolus, comme la singularité et des composantes jamais observées directement
- Le nouveau modèle applique le principe d’exclusion quantique pour montrer que la matière en effondrement ne se comprime pas à l’infini, mais peut s’arrêter dans un état de très haute densité avant de repartir en expansion
- Le rebond est traité dans le cadre des principes de base de la relativité générale et de la mécanique quantique, sans recourir à une physique spéculative comme des champs exotiques ou des dimensions supplémentaires
- Si les observations confirmaient que l’univers n’est pas parfaitement plat mais possède une faible courbure spatiale positive, cela constituerait un indice fort en faveur d’un modèle cosmologique fondé sur un rebond
Un modèle qui voit le Big Bang non comme un commencement, mais comme un rebond
- Un nouvel article publié dans Physical Review D propose que le Big Bang ne soit pas l’origine de tout, mais le résultat d’un rebond survenu à l’intérieur d’un trou noir extrêmement massif formé par un effondrement gravitationnel
- Ce modèle, appelé univers-trou noir (black hole universe), envisage l’origine de l’univers d’une manière totalement différente tout en affirmant s’appuyer sur la physique connue et sur les observations
- Le scénario est le suivant : un ensemble de matière surdense s’effondre sous l’effet de la gravité, atteint une densité extrêmement élevée, puis, au lieu de finir en singularité, rebondit et ouvre une nouvelle phase d’expansion
Les limites laissées par la cosmologie standard
- Le modèle cosmologique standard explique avec succès la structure et l’évolution de l’univers à partir du Big Bang et de l’inflation cosmique, une phase d’expansion extrêmement rapide de l’univers primordial
- Mais le modèle du Big Bang commence par une singularité de densité infinie, un point où les lois de la physique cessent de fonctionner
- Pour expliquer la structure à grande échelle de l’univers, les physiciens introduisent une phase d’inflation pilotée par un champ inconnu aux propriétés inhabituelles
- L’expansion accélérée observée aujourd’hui nécessite une autre composante inconnue : l’énergie noire
- Le modèle standard fonctionne bien, mais il repose sur de nouvelles composantes jamais observées directement et laisse ouvertes des questions comme : « D’où vient tout cela ? », « Pourquoi cela a-t-il commencé de cette façon ? » et « Pourquoi l’univers est-il si plat, si homogène et si vaste ? »
Comment un rebond pourrait se produire à l’intérieur d’un trou noir au lieu d’une singularité
- Au lieu de remonter le fil de l’univers en expansion, le nouveau modèle examine ce qui se passe à l’intérieur lorsque de la matière surdense s’effondre sous l’effet de la gravité
- Le processus par lequel une étoile s’effondre pour devenir un trou noir est bien connu, mais l’intérieur de l’horizon des événements, d’où rien ne peut s’échapper, reste largement mystérieux
- En 1965, Roger Penrose a démontré que, dans des conditions générales, l’effondrement gravitationnel devait conduire à une singularité, résultat ensuite étendu par Stephen Hawking et d’autres
- Ces théorèmes de singularité ont conforté l’idée que des singularités comme celle du Big Bang étaient inévitables
- Penrose a partagé le prix Nobel de physique 2020 pour ces travaux
- Cependant, ces théorèmes reposent sur la physique classique, qui traite des objets macroscopiques
- À des densités extrêmes, il faut intégrer les effets de la mécanique quantique, qui gouverne le monde microscopique des atomes et des particules ; les conclusions peuvent alors changer
Les résultats mathématiques et les conditions physiques du nouvel article
- L’article montre que l’effondrement gravitationnel n’a pas forcément à se terminer par une singularité, et présente une solution analytique exacte sans approximation
- Mathématiquement, il calcule qu’à l’approche d’une singularité potentielle, la taille de l’univers varie comme une fonction hyperbolique du temps cosmique
- Cette solution décrit comment un nuage de matière en effondrement atteint un état de haute densité, puis repart vers l’extérieur et entre dans une nouvelle phase d’expansion
- L’élément clé qui rend le rebond possible est le principe d’exclusion quantique
- Deux fermions identiques ne peuvent pas occuper le même état quantique, par exemple avec le même spin
- À cause de cette règle, les particules dans la matière en effondrement ne peuvent pas être comprimées à l’infini
- L’effondrement s’arrête alors et s’inverse ; dans certaines conditions, le rebond peut non seulement être possible, mais inévitable
- Ce rebond se produit dans un cadre qui combine la relativité générale, applicable aux grandes échelles comme les étoiles et les galaxies, et les principes fondamentaux de la mécanique quantique
- Le modèle estime qu’il n’exige ni champs exotiques, ni dimensions supplémentaires, ni autre physique spéculative
Une explication alternative à l’inflation et à l’énergie noire
- L’univers qui apparaît après le rebond pourrait ressembler de très près à l’univers actuel
- Plus encore, le rebond expliquerait naturellement deux phases distinctes d’expansion accélérée : l’inflation et l’énergie noire
- Dans cette lecture, ces deux phases ne viendraient pas de champs hypothétiques, mais de la physique même du rebond
Des prédictions testables et des indices observationnels
- L’un des points forts du modèle est qu’il produit des prédictions testables
- Il prédit que l’univers n’est pas exactement plat, mais possède une courbure spatiale positive faible mais non nulle
- Cela serait interprété comme la trace d’une petite surdensité initiale ayant déclenché l’effondrement
- Autrement dit, l’univers serait légèrement courbé, un peu comme la surface de la Terre
- Si de futures observations, comme la mission Euclid, confirmaient cette faible courbure positive, cela constituerait un indice fort que l’univers est issu d’un tel rebond
- Le modèle formule aussi une prédiction concernant le taux d’expansion actuel de l’univers, et considère que cette prédiction a déjà été vérifiée
Des questions qui mènent vers l’univers primordial et la matière noire
- Le modèle d’univers-trou noir ne se contente pas d’aborder les problèmes techniques de la cosmologie standard ; il pourrait aussi offrir de nouveaux indices sur d’autres mystères de l’univers primordial
- Parmi les questions potentiellement liées figurent l’origine des trous noirs supermassifs, la nature de la matière noire, ainsi que la formation et l’évolution hiérarchiques des galaxies
- De futures missions spatiales comme Arrakhis doivent étudier des structures diffuses difficiles à détecter avec les télescopes terrestres traditionnels
- Parmi elles, les halos stellaires, structures sphériques composées d’étoiles et d’amas globulaires autour des galaxies
- Mais aussi les galaxies satellites, de petites galaxies en orbite autour de galaxies plus massives
- De telles observations pourraient aider à mieux comprendre la matière noire et l’évolution des galaxies
- Des objets compacts résiduels, comme des trous noirs formés pendant la phase d’effondrement et ayant survécu au rebond, pourraient être liés à ces phénomènes
Une autre façon de voir notre place dans le cosmos
- Dans le cadre de l’univers-trou noir, l’ensemble de l’univers observable se situerait à l’intérieur d’un trou noir formé dans un univers parent plus vaste
- Dans cette perspective, la place de l’humanité n’a rien de spécial, à l’opposé d’une vision géocentrique où la Terre serait le centre du cosmos
- Ce modèle invite à voir l’univers non comme une scène où tout surgirait du néant, mais comme la continuité d’un cycle cosmique façonné par la gravité, la mécanique quantique et le lien profond qui les unit
1 commentaires
Commentaires sur Hacker News
C’est un résumé rédigé directement par l’auteur de l’article scientifique, donc c’est clair. Il y a un risque de simplification excessive, mais au moins cela écarte la possibilité que l’auteur n’ait pas compris les bases de la science
Cela dit, je m’inquiète d’un monde où les chercheurs seraient évalués davantage sur la viralité de leurs billets de blog que sur l’impact de leurs travaux
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Ce billet ne repose pas sur une théorie du management ni sur une métaphore institutionnelle, mais sur un article de physique (arXiv:2505.23877).
Ce que l’article propose réellement, c’est que le Big Bang ait pu être un rebond gravitationnel à l’intérieur d’un trou noir formé dans un univers parent plus vaste. La pression de dégénérescence quantique arrêterait l’effondrement avant la formation d’une singularité ; de l’extérieur, cela ressemblerait à un trou noir, mais à l’intérieur, cela se déploierait en 13,8 milliards d’années d’expansion. En bref, c’est un modèle d’effondrement relativiste avec corrections quantiques, qui évite la singularité, inclut une faible courbure négative et une phase naturelle semblable à l’inflation, et produit des prédictions vérifiables
La proposition consiste à examiner, en relativité générale, l’effondrement d’un grand nuage sphérique de matière peu dense. Au cours du processus, un horizon des événements se forme ; ensuite, vu de l’extérieur, cela ressemble à un trou noir ordinaire, et l’évolution interne n’est plus observable. À l’intérieur se trouvent le nuage de matière, une grande coquille de vide et l’horizon des événements.
La mécanique quantique suggère qu’en raison de la pression de dégénérescence, l’équation d’état ressemble d’abord à de la « poussière peu dense », puis devient à un certain moment proche d’un état « incompressible ». Sous diverses hypothèses et approximations, on obtient une solution où l’intérieur rebondit sous l’effet de la pression de dégénérescence ; du point de vue interne, une constante cosmologique apparente apparaît, et l’horizon cosmologique correspondrait à l’horizon du trou noir vu de l’extérieur.
Dans l’ensemble de l’article, les auteurs injectent des ordres de grandeur pour soutenir que la taille, la masse, l’âge et la constante cosmologique apparente de notre univers observable sont compatibles avec ce mécanisme, et traitent aussi les perturbations et les anisotropies du fond diffus cosmologique de façon assez approximative. Si cela fonctionne bien, ce serait vraiment remarquable, mais je ne suis pas encore convaincu que le modèle tienne correctement en interne, et il semble y avoir beaucoup d’arguments à grands gestes. L’ajustement avec l’univers réellement observé n’est pas encore très convaincant non plus.
Je suis éloigné de la cosmologie depuis des années et je ne suis pas physicien mais mathématicien, donc il faut prendre cette évaluation avec beaucoup de recul. Elle se fonde sur la lecture du préprint arXiv, et je n’ai pas suivi tous les calculs ni toutes les références.
J’ajouterais que la stabilité au voisinage du rebond ne semble pas non plus traitée. Je crois que cette région est connue pour présenter des instabilités anisotropes de type BKL. Avec des paramètres appropriés, le rebond pourrait se produire avant que ces instabilités ne croissent trop ; peut-être que l’article ou ses références affirment que c’est le cas avec les valeurs ajustées à l’univers observé, et que je l’ai manqué. Mais si tout s’emboîte, le modèle lui-même serait étonnant, même s’il est instable
Il est difficile d’imaginer à quel point un univers à 4 dimensions devrait être grand pour contenir le nôtre, et s’il y a davantage de couches, cela deviendrait encore plus démesuré. À l’inverse, notre univers pourrait facilement contenir un nombre incalculable d’univers planaires
Si le cœur de l’article est le rebond fermionique, alors, compte tenu de la quantité de matière et d’énergie que nous connaissons, il faudrait un trou noir gigantesque, et je me demande dans quel environnement il aurait pu se trouver pour atteindre une telle taille.
Cela dit, les théories et spéculations sur les univers-trous noirs existent depuis longtemps déjà, et c’est une idée qui vient assez naturellement quand on apprend le concept d’horizon des événements ; j’aimerais donc qu’on leur accorde un peu plus de reconnaissance plutôt que de les présenter seulement comme une « alternative radicale et étonnante ». La différence tient à la solution analytique
Cette théorie soulève deux problèmes, ou deux questions
Premièrement, elle nécessite un univers parent qui ne se soit pas formé à l’intérieur d’un trou noir. Dans ce cas, il doit exister un second mécanisme de « création d’univers » que nous ne pourrons peut-être pas connaître depuis l’intérieur de notre univers enfant. Au lieu d’un champ inconnu aux propriétés étranges, on introduit un univers parent inconnu aux propriétés étranges ; cela ne semble donc pas vraiment répondre à la vraie question : « comment notre univers a-t-il commencé ? »
Deuxièmement, le trou noir de l’univers parent devrait contenir toute la matière que nous observons, et donc être beaucoup plus grand que n’importe quel trou noir connu dans notre univers. On peut se demander comment un trou noir 750 milliards de fois plus grand que le plus grand trou noir connu pourrait se former
Dans des modèles de trous noirs comme la solution de Schwarzschild, il existe une région d’espace-temps asymptotiquement plat qui, du point de vue de notre univers, fait partie du trou noir. L’idée qu’il se passe quelque chose près de la singularité qui donne naissance à un nouvel univers ne paraît pas si folle
Si notre univers est l’enfant d’un autre univers, lui-même enfant d’un autre, cela cadre avec les modèles de multivers qui abordent des questions comme « pourquoi les paramètres de l’univers sont-ils ainsi ? ». Nous pourrions simplement avoir la chance d’être dans un univers où nous pouvons vivre, ou il pourrait exister une forme de sélection naturelle où les univers qui produisent davantage de trous noirs ont davantage d’enfants
Quant à la taille relative du trou noir parent, la conservation de l’énergie au sens habituel ne s’applique pas nécessairement à l’univers. Une idée est que l’énergie de liaison gravitationnelle de l’univers serait égale à l’opposé de la masse totale de l’univers, donnant une somme nulle ; en avoir plus ou moins ne violerait donc rien
Que ce processus se répète éternellement, qu’il perde de l’énergie lors du rebond, et si oui où et comment elle part, sont des questions distinctes
Dire que le trou noir de l’univers parent devrait être beaucoup plus grand est à la fois vrai et faux. Cela ne tient pas compte de la contraction. En relativité, il est possible de faire entrer une échelle de 100 pieds dans une grange de 10 pieds
Surtout, pour publier, il n’est pas nécessaire de tout comprendre d’un coup. Sinon, personne ne publierait d’article. Il est bon qu’il y ait des critiques, et ces critiques mènent aux travaux suivants
Nous ne savons pas non plus si notre univers est grand ou petit par rapport à d’autres univers. Nous ne savons pas si comparer la taille des univers entre eux a un sens, ni, si c’est le cas, comment il faudrait s’y prendre. Le Big Bang lui-même est peut-être la plus grande conjecture de la science moderne
J’ai lu quelque part que notre univers tridimensionnel pourrait se trouver à l’intérieur d’un trou noir à quatre dimensions. L’explication était qu’une fois l’horizon des événements franchi, la coordonnée radiale devient semblable au temps ; on perd donc un degré de liberté spatial, tandis que le mouvement dans les directions tangentielles reste possible, ce qui donne un univers à N-1 dimensions
Ainsi, notre univers 3D pourrait être de la matière tombée dans un trou noir 4D, et nos trous noirs 3D pourraient contenir des univers plats bidimensionnels. L’univers 4D extérieur pourrait lui aussi se trouver dans un trou noir 5D, et ainsi de suite
À une époque, j’avais parié sur c. Après tout, ce serait une constante. Peut-être même que toutes les constantes sont des restes spaghettifiés de l’univers de dimension supérieure
De plus, une fois entré dans un trou noir, la singularité n’est pas un endroit que l’on peut aller toucher avec un bâton. Elle se trouve dans votre futur, de la même manière que votre mort se trouve dans votre futur
Article intéressant, mais même si l’auteur a raison et que l’univers s’est formé comme un trou noir dans un univers plus vaste, la question demeure. Comment ce plus grand univers s’est-il formé ? C’est peut-être une question à laquelle on ne peut pas répondre
Il y a quelques centaines d’années, on aurait pu demander « que se passe-t-il si l’on va jusqu’au bord de la Terre plate ? », ou encore « qu’y a-t-il au nord du pôle Nord ? »
Mais elle ne semble pas proposer d’hypothèse sur l’origine
En ce sens, les trous noirs pourraient être des régions où notre univers, depuis un état de faible entropie, revient à un état initial d’entropie presque infinie
J’ai beaucoup de questions sur ce sujet
Je n’ai pas de formation académique en physique, mais après avoir appris que la masse d’un trou noir est linéairement proportionnelle au rayon de Schwarzschild, cette idée m’a paru assez plausible. Plus un trou noir est grand, plus sa densité globale devrait être faible. En combinant cela avec l’observation selon laquelle notre univers a une densité uniforme à grande échelle, il me semblait qu’il devait exister un seuil où la densité décroissante d’un très grand trou noir rejoint la densité fixe de l’univers observable
J’ai souvent discuté de cette question avec des collègues techniques qui aiment parler de physique, mais je n’ai jamais obtenu de réponse claire
Par ailleurs, j’ai souvent vu l’énergie noire décrite comme une sorte de substitut à une énergie réelle, c’est-à-dire comme une énergie sous-jacente qui accélère l’éloignement des choses les unes par rapport aux autres, et cette formulation m’a toujours mis mal à l’aise. Il me semblait plus plausible d’y voir plutôt une énergie négative, autrement dit une perte d’énergie totale
Dans un champ classique, lorsque deux objets s’éloignent, de l’énergie potentielle récupérable plus tard est stockée. L’énergie noire ne fonctionne pas ainsi : plus les objets sont éloignés, plus ils s’éloignent vite. D’un point de vue global, cela ressemble à une perte d’énergie. Cette perte s’insinue aussi dans le monde quantique : un photon parti à haute fréquence arrive à basse fréquence
Il me semble donc plus approprié de penser l’énergie noire comme une forme d’extraction d’énergie de l’univers, qui ne revient pas. Ce pourrait être quelque chose comme une évaporation de trou noir observée de l’intérieur. Quand j’ai posé la question à des personnes réelles, on m’a répondu que la composante « énergie » de l’énergie noire est normalisée comme une « tension » de l’espace, mais même sans avoir étudié sérieusement la physique, je n’ai pas trouvé cela satisfaisant
Dans les vides entre les galaxies, le temps s’écoulerait plus vite qu’à l’intérieur des galaxies, et à l’échelle de l’univers entier cette différence s’accumulerait fortement. Ma compréhension de ce domaine est très limitée, mais cette théorie m’avait beaucoup plu et me semblait avoir un certain sens
La taille et la densité du volume de Schwarzschild sont déterminées uniquement par la masse et, dans le cas statique et sans rotation, la densité est inversement proportionnelle au carré de la masse. Densité = 3c⁶/32πG³M²
Un trou noir supermassif a une densité d’environ 0,5 kg/m³, entre celle de l’air raréfié et celle de l’eau, tandis qu’un trou noir de masse stellaire atteint environ 1e19 kg/m³, soit plusieurs ordres de grandeur de plus qu’une étoile à neutrons
Le Big Bang est souvent décrit dans les médias comme « la naissance explosive de l’univers, où l’espace, le temps et la matière ont jailli à l’existence ». Mais ce n’est pas la théorie actuellement admise. « Et si l’espace et le temps n’existaient pas avant le Big Bang ? » relève plutôt d’une théorie personnelle de Stephen Hawking
Il n’existe pas de méthode de principe, raisonnable, pour affirmer quoi que ce soit sur ce qui précède le point où nos théories cessent de fonctionner, et cela inclut l’affirmation selon laquelle « avant cela, il n’y avait absolument ni espace ni temps »
Ainsi, tout ce que j’ai entendu à propos de « l’avant Big Bang » a toujours été spéculatif. Comme les médias scientifiques continuent de rapporter ces spéculations, certains lisent ces articles comme si la science changeait sans cesse de position. Mais sur ce sujet, la science n’a jamais eu de position justifiable et cohérente. Les affirmations de certitude ne viennent pas de la science, mais du problème de médias qui ne le précisent pas et écrivent comme si « la science avait découvert » quelque chose
À une époque, on pensait que la Terre était le centre de l’univers, puis que le Soleil était le centre de l’univers. L’étape suivante évidente semble être que notre univers n’est pas le centre des univers
Si tout notre univers observable se trouve à l’intérieur d’un trou noir né dans un univers « parent » plus vaste, ne devrait-on pas en conclure que les trous noirs de notre univers contiennent eux aussi des univers au-delà de leur horizon des événements ? Il me semble que oui, et c’est vraiment vertigineux
https://en.wikipedia.org/wiki/White_hole#Big_Bang/Supermassi...
Recommandation de hard SF légère : Cosm (1999) de Gregory Benford. L’histoire d’un univers de la taille d’une boule de bowling créé en laboratoire, et de la scientifique qui l’a créé, poursuivie par des agents du gouvernement alors qu’elle tente de le garder en sécurité. Elle essaie de protéger cet univers aussi longtemps que possible, mais le temps étant aussi relatif que la taille, il n’est pas nécessaire d’attendre longtemps