QU'EST-CE QU'UNE SINGULARITé?

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Depuis que les scientifiques ont découvert l'existence de trous noirs dans notre univers, nous nous sommes tous demandé: qu'est-ce qui pourrait éventuellement exister au-delà du voile de ce terrible vide? De plus, depuis que la théorie de la relativité générale a été proposée pour la première fois, les scientifiques ont été obligés de se demander ce qui aurait pu exister avant la naissance de l'Univers - c'est-à-dire avant le Big Bang?

Il est intéressant de noter que ces deux questions ont fini par être résolues (d'une certaine manière) avec l'existence théorique de quelque chose connu sous le nom de singularité gravitationnelle - un point dans l'espace-temps où les lois de la physique telles que nous les connaissons se décomposent. Et bien qu'il reste des défis et des problèmes non résolus à propos de cette théorie, de nombreux scientifiques pensent que sous le voile d'un horizon d'événements, et au début de l'Univers, c'est ce qui existait.

Définition:

En termes scientifiques, une singularité gravitationnelle (ou singularité espace-temps) est un endroit où les quantités utilisées pour mesurer le champ gravitationnel deviennent infinies d'une manière qui ne dépend pas du système de coordonnées. En d'autres termes, c'est un point où toutes les lois physiques sont indiscernables les unes des autres, où l'espace et le temps ne sont plus des réalités interdépendantes, mais fusionnent de manière indiscernable et cessent d'avoir une signification indépendante.

Origine de la théorie:

Les singularités ont d'abord été prédites à la suite de la théorie d'Einstein de la relativité générale, qui a abouti à l'existence théorique de trous noirs. En substance, la théorie a prédit que toute étoile atteignant au-delà d'un certain point de sa masse (alias le rayon de Schwarzschild) exercerait une force gravitationnelle si intense qu'elle s'effondrerait.

À ce stade, rien ne serait capable de s'échapper de sa surface, y compris la lumière. Cela est dû au fait que la force gravitationnelle dépasserait la vitesse de la lumière dans le vide - 299 792 458 mètres par seconde (1 079 252 848,8 km / h; 670 616 629 mph).

Ce phénomène est connu sous le nom de limite de Chandrasekhar, du nom de l'astrophysicien indien Subrahmanyan Chandrasekhar, qui l'a proposé en 1930. À l'heure actuelle, la valeur acceptée de cette limite serait de 1,39 masse solaire (soit 1,39 fois la masse de notre soleil), ce qui équivaut à un énorme 2,765 x 10³⁰ kg (ou 2 765 billions de tonnes métriques).

Un autre aspect de la relativité générale moderne est qu'au moment du Big Bang (c'est-à-dire l'état initial de l'Univers), il y avait une singularité. Roger Penrose et Stephen Hawking ont tous deux développé des théories qui tentaient de répondre à la façon dont la gravitation pouvait produire des singularités, qui ont finalement fusionné pour être connues sous le nom de théorèmes de singularité Penrose – Hawking.

Selon le théorème de singularité de Penrose, qu'il a proposé en 1965, une singularité semblable au temps se produira dans un trou noir chaque fois que la matière atteint certaines conditions énergétiques. À ce stade, la courbure de l'espace-temps dans le trou noir devient infinie, le transformant ainsi en une surface piégée où le temps cesse de fonctionner.

Le théorème de singularité de Hawking a ajouté à cela en déclarant qu'une singularité semblable à l'espace peut se produire lorsque la matière est compressée de force jusqu'à un certain point, provoquant la rupture des règles qui régissent la matière. Hawking a retracé cela dans le temps jusqu'au Big Bang, qui, selon lui, était un point de densité infinie. Cependant, Hawking a révisé plus tard cela pour affirmer que la relativité générale se décompose parfois avant le Big Bang, et donc aucune singularité ne pouvait être prédite par elle.

Certaines propositions plus récentes suggèrent également que l'Univers n'a pas commencé comme une singularité. Il s'agit notamment de théories comme Loop Quantum Gravity, qui tente d'unifier les lois de la physique quantique avec la gravité. Cette théorie stipule qu'en raison des effets de la gravité quantique, il existe une distance minimale au-delà de laquelle la gravité ne continue plus d'augmenter, ou que les ondes de particules interpénétrantes masquent les effets gravitationnels qui seraient ressentis à distance.

Types de singularités:

Les deux types les plus importants de singularités spatio-temporelles sont appelés singularités de courbure et singularités coniques. Les singularités peuvent également être divisées selon qu'elles sont couvertes ou non par un horizon d'événements. Dans le cas du premier, vous avez la courbure et le conique; tandis que dans ce dernier, vous avez ce que l'on appelle les singularités nues.

Une singularité de courbure est mieux illustrée par un trou noir. Au centre d'un trou noir, l'espace-temps devient un point unidimensionnel qui contient une énorme masse. En conséquence, la gravité devient infinie et les courbes espace-temps infiniment, et les lois de la physique telles que nous les connaissons cessent de fonctionner.

Les singularités coniques se produisent quand il y a un point où la limite de chaque quantité de covariance générale est finie. Dans ce cas, l'espace-temps ressemble à un cône autour de ce point, où la singularité est située à la pointe du cône. Un exemple d'une telle singularité conique est une chaîne cosmique, un type de point unidimensionnel hypothétique qui se serait formé au début de l'Univers.

Et, comme mentionné, il y a la singularité nue, un type de singularité qui n'est pas caché derrière un horizon d'événements. Ceux-ci ont été découverts pour la première fois en 1991 par Shapiro et Teukolsky en utilisant des simulations informatiques d'un plan de poussière en rotation qui indiquaient que la relativité générale pouvait permettre des singularités «nues».

Dans ce cas, ce qui se passe réellement dans un trou noir (c'est-à-dire sa singularité) serait visible. Une telle singularité serait théoriquement ce qui existait avant le Big Bang. Le mot clé ici est théorique, car il reste un mystère à quoi ressembleraient ces objets.

Pour le moment, les singularités et ce qui se cache réellement sous le voile d'un trou noir restent un mystère. Avec le temps, on espère que les astronomes pourront étudier plus en détail les trous noirs. On espère également que dans les décennies à venir, les scientifiques trouveront un moyen de fusionner les principes de la mécanique quantique avec la gravité, et que cela éclairera davantage le fonctionnement de cette force mystérieuse.

Nous avons de nombreux articles intéressants sur les singularités gravitationnelles ici à Space Magazine. Voici 10 faits intéressants sur les trous noirs, à quoi ressemblerait un trou noir?, Le Big Bang n'était-il qu'un trou noir?, Au revoir Big Bang, Bonjour Black Hole?, Qui est Stephen Hawking?, Et Qu'est-ce qui se passe de l'autre côté de un trou noir?

Si vous souhaitez plus d'informations sur la singularité, consultez ces articles de la NASA et de Physlink.

Astronomy Cast a quelques épisodes pertinents sur le sujet. Voici l'épisode 6: Plus de preuves pour le Big Bang, et l'épisode 18: Black Holes Big and Small et l'épisode 21: Black Hole Questions Answered.

Sources: