Une étude suggère que le Big Bang aurait pu se produire à l’intérieur d’un trou noir

• Une étude récente avance la possibilité que le Big Bang se soit en réalité produit à l’intérieur d’un trou noir
• Cette hypothèse pourrait compléter ou faire évoluer la théorie standard existante sur l’origine de l’Univers
• La singularité et les phénomènes de gravité quantique à l’intérieur des trous noirs en constituent les thèmes centraux
• Une nouvelle perspective est proposée sur la base d’une analyse fondée sur des données observationnelles et la physique théorique
• Elle ouvre des pistes pour élargir la compréhension de la naissance de l’Univers et de ses premières phases

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Le Big Bang et l’hypothèse d’une origine à l’intérieur d’un trou noir

Selon une étude récemment publiée, le Big Bang, généralement présenté comme l’origine de l’Univers, aurait en réalité pu se produire à l’intérieur d’un trou noir. Dans le modèle standard, le Big Bang est compris comme le point de départ absolu du temps et de l’espace. Cette nouvelle théorie envisage toutefois que des phénomènes majeurs aient pu commencer auparavant, au sein d’un objet céleste tel qu’un trou noir.

Ce qui la distingue de la théorie standard

• En cosmologie standard, l’idée dominante est que l’Univers a commencé à partir d’une singularité, c’est-à-dire un point où tout est infiniment condensé
• La nouvelle étude explore la possibilité que cette singularité se soit trouvée à l’intérieur d’un trou noir et que, sous l’effet des conditions internes du trou noir et de la gravité quantique, un phénomène analogue au Big Bang se soit produit
• Cette théorie présente aussi des points de contact avec des travaux antérieurs de certains physiciens théoriciens, dont Stephen Hawking

Méthode de recherche et principaux enjeux

• Les chercheurs ont analysé en détail la structure spatio-temporelle à l’intérieur des trous noirs en s’appuyant sur les données observationnelles les plus récentes et des calculs de physique théorique
• Ils soulignent que, dans un trou noir, les propriétés du temps et de l’espace pourraient fonctionner différemment de celles de l’Univers ordinaire
• Cela ouvre la voie à de nouvelles interprétations de la manière dont l’Univers est apparu et de son processus d’expansion

Portée et recherches à venir

• Cette hypothèse pourrait avoir un impact important sur les débats autour de la naissance de l’Univers et de ses conditions initiales
• Les progrès des algorithmes et des modèles numériques pourraient permettre de tester plus rigoureusement la validité de cette hypothèse d’une origine à l’intérieur d’un trou noir
• Plutôt que de remplacer le modèle standard, elle propose un cadre complémentaire pour mieux comprendre l’origine de l’Univers

Conclusion

Cette étude est étroitement liée à plusieurs domaines, notamment la cosmologie, l’étude des trous noirs et les questions de gravité quantique. Elle propose un nouveau regard sur une interrogation ancienne autour du Big Bang et devrait favoriser de futures discussions approfondies ainsi que des vérifications expérimentales.

[GN⁺]

Avis sur Hacker News

• Cela me fait me demander « ce qui est en jeu » sur ce sujet : les prédictions évoquées dans l’article pourraient-elles mener à des questions importantes dans un futur lointain, ou aider à résoudre des problèmes plus proches de nous ? Ce n’est pas pour dénigrer la recherche, c’est de la pure curiosité.

• Je trouve impressionnant que la personne ayant rédigé ce résumé soit l’un des auteurs de l’article ; il y a le risque d’une simplification excessive, mais au moins cela évite le risque de mal comprendre la science elle-même.

  • J’ai trouvé ça vraiment passionnant à lire. J’aimerais que davantage de chercheurs publient à la fois un whitepaper et un billet de blog. Bien sûr, je comprends que tous les scientifiques n’écrivent pas bien ou n’aient pas envie d’écrire, et je serais aussi inquiet de vivre dans un monde où ils seraient évalués uniquement sur la popularité virale de leur blog.

  • C’est bien mieux que quand le service de communication d’une université écrit un texte exagéré. Au lieu de recycler des formules usées du type « une première mondiale » ou « un changement de paradigme », l’auteur se concentre sur ce qui compte vraiment, par exemple : est-ce vérifiable expérimentalement ? Et si oui, comment faudrait-il l’observer ?

  • C’était vraiment un excellent texte. La solution proposée ici paraît à la fois très simple et capable de résoudre complètement les problèmes des modèles existants. On en viendrait presque à imaginer que chaque trou noir pourrait contenir son propre univers.

• L’idée est fascinante, mais même si l’auteur a raison et que notre univers est réellement né à l’intérieur d’un trou noir plus grand, cela soulève aussitôt une autre question : comment cet univers supérieur a-t-il été créé ? C’est peut-être une question à laquelle nous ne pourrons jamais répondre.

  • Peut-être que le grand univers et les univers qu’il contient ont une structure auto-similaire, de type fractal. Dans ce cas, cela résoudrait la question.

  • C’est des tortues jusqu’en bas.

  • J’ai l’impression que c’est voir l’univers d’une manière trop tridimensionnelle.

  • Quand on étudie la mécanique quantique, on a parfois l’impression qu’elle nous conduit vers l’idée que « tout ce qui est imaginable existe réellement en même temps » : tous les univers possibles et toutes les lois physiques possibles existeraient sous une forme ou une autre, et nous n’appartiendrions qu’à l’un d’eux. Un peu comme la Terre peut sembler être une planète spéciale dans le Système solaire, alors qu’à l’échelle de l’univers ce n’est pas le cas.

• Je me pose énormément de questions sur ce sujet depuis longtemps. Je n’ai pas de formation en physique, mais après avoir appris que la masse d’un trou noir est linéairement proportionnelle au rayon de Schwarzschild, cela m’a semblé très plausible. Plus un trou noir est grand, plus sa densité diminue ; et si on combine cela avec l’observation selon laquelle notre univers a une densité presque constante à grande échelle, on en vient à penser qu’il doit exister un point d’intersection où la densité décroissante d’un trou noir supermassif rencontre la densité fixe de l’univers entier. Je discute souvent de physique avec des collègues, mais je n’ai jamais obtenu de réponse claire. Et les implications potentielles sont vraiment passionnantes.

  Je suis un peu mal à l’aise avec la façon dont l’énergie noire est censée expliquer l’énergie réelle. On la présente souvent comme « la cause qui repousse tout », mais elle ressemble plutôt à une sorte d’énergie négative, comme une perte d’énergie totale qui s’échapperait de l’univers. En physique classique, quand deux corps s’éloignent, de l’énergie potentielle est stockée et peut être récupérée plus tard. Avec l’énergie noire, ce n’est pas le cas : plus la distance augmente, plus l’éloignement s’accélère encore. D’un point de vue global, cela ressemble donc à une structure de perte d’énergie. Et cela semble aussi vrai dans le monde quantique : des photons à haute fréquence deviennent des photons à basse fréquence. L’énergie noire donne l’impression d’une énergie qui quitte irréversiblement l’univers, comme une évaporation à l’intérieur d’un trou noir.

  Quand je pose cette question dans la vraie vie, on me répond généralement que la composante « énergie » de l’énergie noire est normalisée sous forme de « tension » de l’univers, mais je ne trouve pas cette explication très satisfaisante.

  • Cela me rappelle une théorie ingénieuse que j’avais vue autrefois sur HN pour expliquer pourquoi l’univers s’étend de plus en plus vite : le temps ne s’écoulerait pas à la même vitesse selon la masse. L’idée était que dans l’espace vide entre les galaxies, les voids, le temps passe plus vite qu’à l’intérieur des galaxies, et qu’à l’échelle cosmique cette différence accumulée pourrait devenir importante. En tant que non-spécialiste, ça me paraît plausible.

  • À propos de l’idée que « l’énergie noire ressemble à de l’énergie qui s’échappe de l’univers, comme une évaporation à l’intérieur d’un trou noir… », on peut objecter qu’en réalité un trou noir grossit quand de la matière franchit l’horizon des événements, et rétrécit lorsqu’il s’évapore. Si l’on fait l’analogie entre l’expansion de l’univers et une perte d’énergie dans le cadre d’un trou noir, cela reviendrait plutôt à dire que davantage d’énergie y entre.

  • Si l’on injecte une estimation de la masse de l’univers dans la formule de Schwarzschild, on constate qu’on tombe extrêmement près de la taille de l’univers observable.

  • À la question « n’est-il pas plus plausible de voir l’énergie noire comme une énergie négative ? », je raisonne aussi en non-spécialiste : l’énergie que les trous noirs perdent théoriquement est beaucoup trop faible pour être détectée, alors que l’énergie noire représente la plus grande composante de l’univers observable. Je me demande donc si les ordres de grandeur collent réellement.

  • Concernant l’affirmation selon laquelle notre univers présente une densité homogène à grande échelle, c’était vrai au moment de la recombination, mais supposer qu’il soit resté homogène pendant toute son évolution jusqu’à aujourd’hui relève du standard LCDM (Lambda-Cold Dark Matter), et je ne suis pas certain que cela soit empiriquement si bien étayé. Voir Cosmic web, Inhomogeneous cosmology.

    Je partage intuitivement l’idée que « l’énergie noire ressemble à de l’énergie négative » : si l’on déplace le terme lambda du côté du tenseur énergie-impulsion dans les équations d’Einstein, il joue effectivement un rôle négatif, et les observations suggèrent que lambda est positif.

    Dans un système classique, lorsque deux objets s’éloignent, l’énergie potentielle stockée peut être récupérée plus tard, mais l’énergie noire ne fonctionne pas ainsi (plus ils s’éloignent, plus l’accélération augmente). D’un point de vue global, on peut donc y voir une perte d’énergie.

    En relativité générale, la conservation de l’énergie ne s’applique pas à l’univers dans son ensemble à l’échelle globale Conservation of energy ; elle n’est valable que localement, et il est même difficile de définir rigoureusement l’énergie de l’espace-temps Stress–energy tensor, Mass in general relativity.

    L’énergie noire (la constante cosmologique) est littéralement une constante, donc même s’il y a perte d’énergie au fur et à mesure de l’expansion de l’espace, cela ne signifie pas que la constante gravitationnelle change. Voir cet article arXiv.

• Si l’on regarde l’idée de « rebond fermionique » au cœur de cet article, et qu’on compare les échelles de masse et d’énergie que nous connaissons, on aboutit à un trou noir énorme. Si un trou noir aussi grand a existé, on se demande aussi dans quel environnement il se trouvait, même si tout y restait prisonnier d’un mouvement de va-et-vient à cause d’une courbure positive…

  Cela dit, les discussions autour de la théorie de l’univers-trou noir existent depuis longtemps. Je ne dirais pas que c’est une alternative révolutionnaire ou radicale ; c’est une idée qui vient assez naturellement dès qu’on comprend le concept d’horizon des événements. La nouveauté de cet article semble être qu’il fournit une « solution analytique ».

• Pour de la hard SF, je recommande "Cosm" de Gregory Benford, publié en 1999 : on y crée en laboratoire un mini-univers de la taille d’une boule de bowling, et la scientifique tente de le protéger des agents du gouvernement. Le point intéressant, c’est que dans cet univers le temps est aussi relatif que la taille, donc il n’y a pas besoin d’attendre très longtemps.

  • Je l’ajoute tout de suite à ma liste. J’adore voir des recommandations de SF sur HN, même si je soupire parfois en voyant que la liste des bons livres à lire devient si longue que je ne pourrai sans doute jamais tout lire de ma vie.

  • Ça me fait penser à "Horton Hears a Who".

  • Dans le même genre classique, on peut citer "Microcosmic God" (1941) de Theodore Sturgeon.

  • Il me semble qu’il y avait un épisode similaire dans Star Trek DS9.

  • Ça me rappelle aussi l’épisode 6 de la saison 2 de Rick and Morty, "The Ricks Must be Crazy", où Rick crée tout un microverse pour s’en servir comme batterie pour son vaisseau, et où un scientifique de ce microverse crée à son tour un miniverse.

• J’ai déjà lu quelque part l’hypothèse selon laquelle notre univers 3D se trouverait à l’intérieur d’un trou noir 4D. L’idée est qu’une fois l’horizon des événements franchi, la coordonnée radiale devient semblable au temps, ce qui fait perdre un degré de liberté spatial ; en revanche, le mouvement reste possible dans les directions angulaires, ce qui formerait un univers à N-1 dimensions. Ainsi, notre univers 3D serait la matière tombée dans un trou noir 4D, les trous noirs 3D correspondraient à un Flatland 2D, et l’univers extérieur 4D serait lui-même dans un trou noir 5D… ce genre d’imagination.

  • On fera remarquer qu’en 4 dimensions, l’opérateur rotationnel (curl operator) ne fonctionne pas.

  • À propos de l’idée que « lorsqu’on franchit l’horizon des événements, la coordonnée radiale devient semblable au temps et on perd une dimension spatiale », la coordonnée temporelle devient elle aussi spatiale en même temps, donc il reste toujours trois degrés de liberté. Une dimension ne disparaît pas simplement ; cela repose sur l’hypothèse physique selon laquelle l’espace-temps est une variété lorentzienne 4D. De plus, la singularité d’un trou noir appartient en quelque sorte au futur : ce n’est pas un « lieu » qu’on pourrait réellement toucher avec une particule.

  • Ensuite vient le jeu d’imagination selon lequel « les constantes physiques familières de notre univers sont peut-être des vestiges étirés comme des spaghettis depuis une dimension supérieure ». J’ai déjà pensé autrefois que la vitesse de la lumière c pourrait être précisément une constante de ce type spaghettifié. Peut-être que toutes les constantes seraient des reliques d’un univers supérieur, plaisanterait-on.

  • Je me demande ce qu’il peut bien y avoir dans un trou noir unidimensionnel.

• À propos de la description « le Big Bang est une singularité à partir de laquelle l’univers est né dans une explosion », les médias le présentent souvent ainsi, mais ce n’est pas réellement la théorie standard actuelle. Les scénarios du type « il n’y avait pas d’espace-temps avant le Big Bang » se rapprochent davantage de l’opinion personnelle de Stephen Hawking.

  • Une formulation plus exacte serait : nos théories actuelles n’ont tout simplement aucun moyen d’expliquer ce qui a précédé le « Big Bang ». Quand on pousse la théorie jusqu’au point où la gravité quantique devient nécessaire, nos mathématiques s’effondrent complètement. Nous ne pouvons donc rien affirmer sur l’état antérieur au Big Bang ; même dire qu’il n’y avait pas d’espace-temps avant relève de la spéculation. Pourtant, les médias continuent de présenter ce genre d’inférences comme de la « science news », alors qu’en substance la science n’a jamais eu de position officielle sur ce problème : toutes les affirmations restent spéculatives. Les médias transmettent souvent à tort ces spéculations comme s’il s’agissait de conclusions scientifiques.

  • Beaucoup de gens, consciemment ou non, semblent mal comprendre la nature du modèle standard (« il n’y a pas d’avant le Big Bang » dans Lambda-CDM) : avant t=0, la notion même de temps n’existe pas.

  • Je me demande ce qu’est exactement la théorie standard actuelle.

  • J’ai l’intuition que l’on découvrira un jour que notre univers n’est pas le seul cycle, que nous ne sommes ni l’unique univers ni l’unique cycle. Historiquement, on est passé de l’idée que la Terre était le centre de l’univers à celle du Système solaire, et maintenant on arrive peut-être à l’étape où notre univers lui-même n’a rien de particulièrement spécial parmi d’autres univers.

  • Si l’on a du mal à accepter l’idée d’un univers « apparu de lui-même », alors croire en Dieu n’est peut-être pas si différent, plaisanterie mise à part.

• À propos de l’explication de l’article selon laquelle, « d’après le théorème de Penrose, le principe d’exclusion quantique (deux fermions ne peuvent occuper le même état) empêche la matière de se comprimer indéfiniment, ce qui stoppe l’effondrement et provoque un rebond », alors pourquoi les étoiles à neutrons s’effondrent-elles en trous noirs alors qu’elles respectent aussi ce principe d’exclusion ?

  • Peut-être parce qu’un trou noir est une déformation macroscopique de l’espace-temps, et pas seulement un phénomène de propriétés quantiques locales.

  • L’une des raisons pour lesquelles une étoile à neutrons peut s’effondrer en trou noir est la « capture électronique », où les électrons sont forcés de se combiner aux protons pour former des neutrons et des neutrinos. Si la pression est suffisante, on traverse plusieurs états de matière dégénérée (degenerate matter) et, en théorie, au dernier stade de dégénérescence, un objet plus petit que le rayon de Schwarzschild pourrait exister. Mais comme ces états de matière sont inobservables, l’incertitude reste forte. Personne ne sait ce qui se passe à l’intérieur du rayon de Schwarzschild ; il existe de nombreuses idées, mais aucune explication définitive. La physique quantique près de la singularité d’un trou noir reste inconnue.

  • La réponse est que si la masse est suffisamment grande, la gravité devient si forte que l’effondrement continue même si tous les fermions occupent des états différents.

• À partir de l’explication selon laquelle « la théorie de l’univers-trou noir considère que notre univers entier a été créé à l’intérieur d’un trou noir dans un univers supérieur », cela voudrait-il dire qu’il y a encore un autre univers dans les trous noirs de notre propre univers ? Rien que de l’imaginer, c’est vertigineux.

  • Cette idée existe depuis longtemps. En revanche, dire qu’un univers est « contenu » dans un trou noir n’est peut-être pas la formulation la plus exacte. Voir White hole Big Bang/Supermassive White Hole voir l’article.

  • Et si Men In Black était en fait un documentaire ?