Pendant près d’un siècle, les trous noirs ont incarné la destination ultime des étoiles les plus massives. Des objets si denses que même la lumière ne peut leur échapper, si extrêmes que les lois de la physique elles-mêmes semblent s’y briser.
Une nouvelle étude théorique propose que certains objets que nous appelons aujourd’hui des trous noirs pourraient être autre chose. Leur cœur ne contiendrait pas une singularité, cet étrange point infiniment dense prédit par la relativité générale, mais un univers miniature en pleine expansion.
L’idée peut sembler sortie d’un roman de science-fiction. Pourtant, elle découle directement d’une tentative de résoudre l’un des problèmes les plus anciens de la physique moderne : comprendre ce qui se passe réellement lorsqu’une étoile s’effondre sous son propre poids.
Le problème que les trous noirs n’ont jamais vraiment résolu
Les trous noirs sont aujourd’hui partout dans l’Univers. On en observe les effets gravitationnels dans les galaxies, on détecte les ondes gravitationnelles produites lorsqu’ils fusionnent et l’Event Horizon Telescope a même réussi à obtenir l’image de plusieurs d’entre eux. Leur existence ne fait plus vraiment débat.
En revanche, leur structure interne demeure l’un des grands angles morts de la physique. L’histoire remonte aux travaux d’Albert Einstein et de la relativité générale. Cette théorie décrit la gravité non comme une force mais comme une déformation de l’espace et du temps provoquée par la matière. Lorsqu’une étoile suffisamment massive arrive au terme de son existence, les réactions nucléaires qui soutiennent son poids s’arrêtent. Plus rien ne s’oppose alors à la gravité. L’étoile s’effondre.
Les calculs conduisent à une conclusion spectaculaire : toute la matière est comprimée dans une région de plus en plus petite jusqu’à atteindre une densité infinie. Les physiciens appellent cela une singularité.
C’est précisément là que les ennuis commencent.
Dans la pratique, les infinis constituent souvent un signal d’alarme pour les théoriciens. Ils indiquent généralement que la théorie utilisée atteint ses limites. À l’intérieur d’une singularité, les équations cessent de fonctionner correctement. Les notions habituelles d’espace, de temps et de matière perdent leur sens.
Depuis plusieurs décennies, les physiciens cherchent donc des moyens d’éviter cette conclusion inconfortable. Parmi les pistes explorées figure un objet théorique au nom encore peu connu du grand public : le gravastar. Le terme est la contraction de « gravitational vacuum star », que l’on peut traduire par « étoile à vide gravitationnel ». L’idée est apparue au début des années 2000 sous l’impulsion des physiciens Pawel Mazur et Emil Mottola. Leur proposition était simple : remplacer la singularité par une région remplie d’énergie noire.
L’énergie noire est cette composante mystérieuse qui semble accélérer l’expansion de l’Univers depuis plusieurs milliards d’années. Contrairement à la matière ordinaire qui attire gravitationnellement, elle agit comme une forme de pression répulsive. Dans une gravastar, cette pression empêcherait l’effondrement complet de l’étoile.
Le résultat serait un objet presque aussi compact qu’un trou noir, presque aussi massif, presque aussi difficile à observer directement, mais qui ne contiendrait ni singularité ni véritable horizon des événements.
Restait toutefois une question embarrassante : comment une telle structure pourrait-elle apparaître dans la nature ?
Un Big Bang miniature au cœur d’une étoile mourante
C’est ce problème qu’ont tenté de résoudre Daniel Jampolski et Luciano Rezzolla, astrophysicien théoricien à l’université Goethe de Francfort.
Leur étude, publiée dans la revue Physical Review D, propose ce qu’ils présentent comme la première solution dynamique compatible avec les équations d’Einstein permettant à une étoile en effondrement de devenir un gravastar. Le scénario imaginé est particulièrement étonnant.
À mesure que l’étoile se contracte, sa matière atteint des densités colossales. Nous entrons alors dans un domaine où la physique reste largement inconnue. Les expériences terrestres sont incapables de reproduire de telles conditions et aucune théorie complète de la gravitation quantique n’existe encore pour décrire précisément ce qui s’y déroule.
Selon les chercheurs, c’est justement dans cet environnement extrême qu’un phénomène radicalement nouveau pourrait apparaître : la naissance d’un univers miniature. L’expression n’est pas une métaphore. Les auteurs envisagent réellement qu’un processus analogue au Big Bang puisse se produire à l’intérieur de l’étoile en cours d’effondrement. Comme notre propre Univers il y a 13,8 milliards d’années, cette région nouvellement créée commencerait à se dilater sous l’effet de l’énergie noire.
Cette expansion exercerait progressivement une pression vers l’extérieur. Une pression suffisamment importante pour s’opposer à la gravité qui continue de pousser la matière vers le centre. Au lieu d’une victoire totale de l’effondrement gravitationnel, un équilibre s’installerait entre ces deux phénomènes antagonistes. L’étoile cesserait alors de se contracter avant d’atteindre le stade du trou noir classique.
Un gravastar serait né.
La question est désormais de savoir si les astronomes pourront un jour distinguer un trou noir d’un gravastar. Les futures générations de détecteurs d’ondes gravitationnelles pourraient peut-être révéler des différences dans la façon dont ces objets fusionnent. Les observations de plus en plus précises des régions proches des horizons des événements pourraient également fournir des indices.
