Une étude Théorique explore les conditions de division des trous noirs
Une nouvelle étude publiée dans Physical Review D examine les lois fondamentales régissant les trous noirs et explore si des conditions spécifiques pourraient leur permettre de se diviser en deux entités distinctes. La recherche examine les principes thermodynamiques qui maintiennent généralement l’intégrité d’un trou noir et identifie des scénarios dans lesquels ces principes pourraient être dépassés.
« Notre étude examine les lois physiques qui empêchent normalement un trou noir de se diviser en deux et si certaines circonstances pourraient permettre une division de se produire », a expliqué Francesco Sannino, professeur de physique à l’Université de Naples Federico II en Italie et au Quantum Field Theory Center de l’Université du Danemark du Sud, et co-auteur de l’étude. L’équipe de recherche comprenait également Giacomo Cacciapaglia, chercheur au Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) français au Laboratoire de Physique Théorique et Hautes Énergies à Paris, ainsi que Manuel Del Piano et Vania Vellucci, tous deux du Quantum Field Theory Center de l’Université du Danemark du Sud.
Typiquement, les trous noirs restent intacts en raison de contraintes thermodynamiques. L’entropie, une mesure des arrangements microscopiques d’un système, limite les changements affectant les trous noirs ; réduire l’entropie, comme ce qui se produirait si un trou noir non rotatif était divisé, est thermodynamiquement défavorable.
Cependant, l’étude suggère qu’une rotation extrêmement rapide pourrait créer une échappatoire à ces restrictions, permettant potentiellement à un trou noir de se diviser. Même dans ce cas, les trous noirs résultants devraient se séparer pour éviter une remise en fusion immédiate. « Mais les deux trous noirs résultants doivent également être capables de se séparer plutôt que de retomber immédiatement l’un sur l’autre. Lorsque nous incluons cette exigence, la fenêtre se referme largement à nouveau, sauf peut-être pour les trous noirs en rotation proche de leur vitesse maximale possible », a déclaré M. Sannino.
Le titre de l’étude, « When Black Holes Admit Pair-of-pants Topologies », fait référence à la forme de la frontière d’un trou noir lors d’une telle division, ressemblant à un pantalon avec une structure unique se divisant en deux branches.
Les chercheurs ont également pris en compte des théories impliquant des dimensions spatiales supplémentaires au-delà des trois que nous expérimentons quotidiennement. Dans ces modèles, les trous noirs peuvent devenir instables et se fragmenter. Bien que la thermodynamique puisse favoriser la division dans ces conditions, elle ne garantit pas qu’elle se produira.
Les scientifiques s’efforcent désormais de déterminer la probabilité de ces événements, un défi qui pourrait nécessiter d’explorer la gravité au-delà de la théorie d’Einstein. « Nous ne pouvons pas encore donner une probabilité unique pour qu’un trou noir se divise. Cela dépend de la façon dont la gravité se comporte au-delà de la théorie d’Einstein, et nous travaillons à quantifier cela », a déclaré M. Sannino. Il suggère que les trous noirs primordiaux, plus petits, sont plus susceptibles de se diviser que les trous noirs astrophysiques plus grands, et que les télescopes à rayons gamma comme Fermi-LAT pourraient potentiellement détecter des signaux provenant de fragments résultant de tels événements.
M. Sannino est le directeur du Quantum Field Theory Center (ℏQTC), qui est affilié au Département des Mathématiques et de l’Informatique (IMADA) de l’Université du Danemark du Sud. Il est également affilié au Danish Institute for Advanced Study et au Département de Physique « Ettore Pancini » de l’Université de Naples Federico II, et occupe un poste de professeur invité à l’Université de Durham.