Les trous noirs sont des zones de l’espace dont rien, pas même la lumière, ne peut s’échapper. Bien que très étranges à plus d’un titre, ils sont globalement bien compris et bien décrits par la grande théorie d’Einstein. L’existence de trous noirs dans notre Univers est maintenant presque avérée et plus personne n’en doute sérieusement. Leurs propriétés, en particulier l’émissions d’ondes gravitationnelles – de petites vibrations de l’espace – lorsque deux trous noirs fusionnent, sont correctement expliquées par les modèles usuels de l’astrophysique.

Néanmoins, si l’on s’intéresse aux petits trous noirs, les choses ne sont plus si simples. Il devient alors indispensable de tenir compte des effets quantiques. Or, une théorie tout à fait convaincante de la gravitation quantique est précisément ce qui manque le plus cruellement à la physique théorique depuis un siècle. Dans un article récent publié dans Physical Review Letters (voir la version PRL ou le preprint téléchargeable), je me suis intéressé à la possibilité d’entrevoir des effets de gravitation quantique grâce aux trous noirs.

On sait depuis une quarantaine d’année que les petits trous noirs devraient s’évaporer. C’est un des résultas majeurs de Hawking. Ce phénomène, qui défit les lois classiques (rien ne devrait pouvoir sortir d’un trou noir) est permis par la physique quantique. Mais il n’est pas un phénomène de gravitation quantique. Il est donc attendu que la gravitation quantique – qu’on pourrait presque qualifier de graal de physique théorique – ne joue aucun rôle majeur dans ce processus, sauf éventuellement dans les tous derniers instants. Or, j’ai montré que contrairement à cette idée, il n’était pas exclu que des signatures claires du caractère quantique du champ gravitationnel puissent en fait apparaître durant l’évaporation, et ce dès les premiers instants !

L’idée centrale vient de ce qu’en gravitation quantique à boucles, un trou noir est décrit comme l’intersection d’un réseau de spin et d’un horizon. Sans entrer dans les détails techniques disons que j’ai suggéré que le processus d’évaporation soit associé au changement d’état quantique d’une « plaquette » de surface élémentaire intervenant dans le réseau de spin. Le phénomène intéressant associé à cette hypothèse tient à ce qu’alors les effets de gravitation quantiques deviennent visibles pour des masses arbitrairement élevées contrairement à l’idée naïve qui voudrait que cela n’intervienne que pour les masses très faibles (de l’ordre de la masse de Planck). Autrement dit, même un trou noir des milliards de fois plus lourd que la masse de Planck exhiberait alors des effets des gravitation quantique aussi « forts et clairs » qu’un trou noir très léger. C’est une nouvelle piste pour la phénoménologie de la gravité quantique.

Naturellement le point faible de cette approche est que pour le moment nous n’observons pas de trous noirs en évaporation car nous ignorons si les conditions dans l’Univers primordial étaient favorables pour les former. Mais j’ai montré dans ce travail que si cela advenait les effets de gravitation quantique apparaitraient par l’émission de raies caractéristiques dans la lumière émise (des rayons gammas) qui ne seraient pas noyées par le bruit de fond. Il serait même possible de discriminer entre plusieurs modèles différents de gravitation quantique.

A suivre !