Trou de ver - Définition et Explications

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Introduction

Un exemple de trou de ver dans une métrique de Schwarzschild tel qu'il serait vu par un observateur ayant franchi l'horizon du trou noir. La région d'où vient l'observateur est située à droite de l'image. Mise à part la région située proche de l'ombre (Une ombre est une zone sombre créée par l'interposition d'un objet opaque (ou seulement...) du trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense...), les effets de décalage vers le rouge (Le décalage vers le rouge ou redshift est un phénomène astronomique de décalage vers les...) gravitationnel rendent le fond du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) très sombre. Celui-ci est en revanche très lumineux dans la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...) région visible une fois l'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre...) passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble...). Cette région ne sera cependant pas atteignable quelle que soit la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et...) de l'observateur car celui-ci est condamné à finir sur la singularité (D'une manière générale, le mot singularité décrit le caractère singulier de quelque chose ou...) gravitationnelle en un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) relativement bref.

Un trou de ver est un « tunnel » reliant un trou noir et un trou blanc (Un trou blanc (aussi appelé fontaine blanche) est un objet théorique susceptible d'exister dans...).

À partir des équations de la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale...), en 1935, Einstein et Rosen découvraient que les singularités de l'espace-temps (La notion d'espace-temps a été introduite au début des années 1900 et reprise...) formaient en réalité des puits gravitationnels de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) et de courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est...) d'espace-temps infinis. Cette singularité gravitationnelle fut reprise plus tard pour illustrer la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace...) des trous noirs.

Un trou blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir...), aussi appelé fontaine blanche, est le symétrique d’un trou noir. Au lieu d’aspirer toute matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...), le trou blanc l’expulse et serait alimenté par un trou noir.

Les trous de ver (Les vers constituent un groupe très hétérogène d'animaux invertébrés...) et les trous blancs sont des concepts purement théoriques : l'existence ou la formation physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) de tels objets dans l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) sont restés non vérifiés.

Présentation générale

À l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur...) actuelle, il existe différents types de trous de ver. Tous sont des solutions mathématiques (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide...) 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 un seul sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...), pouvant contenir un trou de ver de Schwarzschild ;
  • le trou de ver de Lorentz à masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) négative, franchissable dans les deux sens.

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-mêmes.

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 (Le mot statique peut désigner ou qualifier ce qui est relatif à l'absence de mouvement. Il peut...) en accumulant des masses négatives.

La théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) d'Einstein précise que vous pouvez fabriquer n'importe quel type de géométrie spatio-temporelle, statique ou dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...). Toutefois, une fois la géométrie définie, ce sont les équations d'Einstein qui vous diront quel devra être le tenseur (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 (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) aux fluctuations d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) de la théorie de la gravitation (La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction...) 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 (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur...) qui veut que dans un système fermé ou dissipatif l'entropie (En thermodynamique, l'entropie est une fonction d'état introduite en 1865 par Rudolf Clausius...) ne peut pas décroître (dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le...), on ne peut pas créer de la matière à partir 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 (Stephen W. Hawking, CH, CBE, FRS, FRSA, est un physicien théoricien et cosmologiste anglais,...) et Richard Coleman reprirent le concept de Wheeler et suggérèrent que l'espace-temps pouvait être soumis à l'effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir...) précité, reprenant l'idée avancée par Hugh Everett. À l'instar des électrons qui peuvent sauter d'un point (Graphie) à l'autre de l'espace, l'Univers ferait de même. L'effet tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de...) créerait des ouvertures dans l'espace-temps qui conduiraient à d'autres univers, des univers cul-de-sac ou tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) 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 (L'université de Californie est une université américaine, fondée en 1868, dont...) 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 (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) quantique qui subit des fluctuations d'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) variables. Il peut s'agir d'énergie négative par exemple, de l'antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière...) qui maintiendrait l'ouverture du trou de ver loin de l'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre...). L'ouverture elle-même présente une pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) 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 (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) d'émerger ailleurs dans l'espace-temps, Matt Visser de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Washington et David Hochberg du Laboratoire d'astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche...) spatiale et de physique fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) de Madrid (Madrid est la capitale de l'Espagne. Ville la plus vaste et la plus peuplée du pays, c'est le...) pensent qu'une sorte d'antigravité (L'antigravité correspond à l'idée de la création d'un espace ou d'un objet...) 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 (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) complexe à quatre dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...). 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 (Kip Stephen Thorne (né le 1er juin 1940) est un physicien théoricien américain,...) et Richard Morris du Caltech tentèrent de découvrir par le biais de la physique quantique (La physique quantique est l'appellation générale d'un ensemble de théories physiques...) 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 (La science-fiction, prononcée /sjɑ̃s.fik.sjɔ̃/ (abrégé en...) était aux anges mais éloignait peut-être Carl Sagan ou Isaac Asimov (Isaac Asimov, né vers le 2 janvier 1920 à Petrovitchi en Russie et mort le...) 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 (par période / genre / pays Liste complète) 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 (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a...), issu d'une singularité ? Développées autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) 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 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 » 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 (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) au stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe...) expérimental.

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