Une étude théorique montre que les trous noirs de Kerr pourraient amplifier une nouvelle physique.

22 septembre 2023 caractéristique

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

Les trous noirs sont des régions de l'espace caractérisées par une gravité extrêmement forte, qui empêche toute matière et onde électromagnétique de s'en échapper. Ces fascinants corps cosmiques ont été au centre de nombreuses études de recherche, pourtant leurs subtilités physiques complexes restent à découvrir entièrement.

Des chercheurs de l'Université de Californie-Santa Barbara, de l'Université de Varsovie et de l'Université de Cambridge ont récemment mené une étude théorique portant sur une classe de trous noirs appelés trous noirs de Kerr extrêmes, qui sont des trous noirs stationnaires non chargés avec un horizon intérieur et extérieur coïncidant. Leur article, publié dans Physical Review Letters, montre que les caractéristiques uniques de ces trous noirs pourraient en faire des "amplificateurs" idéaux d'une nouvelle physique inconnue.

"Cette recherche trouve son origine dans un projet précédent initié lors de ma visite à l'UC Santa Barbara", a déclaré Phys.org Maciej Kolanowski, l'un des chercheurs ayant réalisé l'étude. "J'ai commencé à discuter des trous noirs extrêmement froids avec Gary Horowitz (UCSB) et Jorge Santos (à Cambridge). Bientôt, nous avons réalisé que, en fait, les trous noirs extrêmes génériques ont un aspect très différent de ce qui était précédemment cru."

Dans leur article précédent, Kolanowski, Horowitz et Santos ont montré qu'en présence d'une constante cosmologique, les trous noirs extrêmes sont affectés par des forces de marée infinies. Cela signifie que si des êtres vivants tombaient dans le trou noir, ils seraient écrasés par la gravité avant même de s'approcher de près du centre du trou noir. Pourtant, l'équipe a montré que si la constante cosmologique est nulle, comme on le suppose dans de nombreux scénarios astrophysiques, cet effet disparaît.

"L'étincelle pour l'article actuel est apparue lors du déjeuner gravitationnel hebdomadaire de l'UC Santa Barbara", a expliqué Grant Remmen. "En discutant avec Horowitz après une conférence sur son travail sur les singularités des horizons des trous noirs, j'ai demandé si d'autres effets pourraient donner lieu à de tels phénomènes. Mon travail précédent sur les théories des champs effectives (EFT), notamment le développement de modèles physiques avec des corrections quantiques, m'a donné une idée. En parlant avec Horowitz, je me suis demandé si les termes de dérivées supérieures dans une EFT gravitationnelle (c'est-à-dire des corrections quantiques aux équations d'Einstein) pourraient eux-mêmes conduire à des singularités sur les horizons des trous noirs extrêmes."

Après que Remmen ait partagé son idée avec Horowitz, ils ont commencé à collaborer avec Kolanowski et Santos, dans le but de tester cette idée par une série de calculs. Dans leurs calculs, les chercheurs ont considéré la gravité d'Einstein couplée à ses principales corrections quantiques.

"Les équations d'Einstein sont linéaires par rapport au tenseur de Riemann, un objet mathématique décrivant la courbure de l'espace-temps", a expliqué Remmen. "Dans trois dimensions d'espace, les corrections principales d'Einstein sont des termes cubiques (puissance troisième) et quartiques (puissance quatrième) de la courbure. Parce que la courbure est une mesure des dérivées de la géométrie de l'espace-temps, de tels termes sont appelés 'termes de dérivées supérieures'. Nous avons calculé l'effet de ces termes de dérivées supérieures sur les trous noirs en rotation rapide."

Les trous noirs extrêmes tournent à une vitesse maximale correspondant à l'horizon se déplaçant à la vitesse de la lumière. Les calculs des chercheurs ont montré que les corrections EFT de dérivées supérieures des trous noirs extrêmes rendent leurs horizons singuliers, avec des forces de marée infinies. Cela contraste fortement avec les trous noirs typiques, qui ont des forces de marée finies qui ne deviennent infinies qu'au centre du trou noir.

"Fait étonnant, les corrections EFT font que la singularité saute du centre du trou noir jusqu'à l'horizon, où on ne s'y attendrait pas", a déclaré Remmen. "La valeur du coefficient devant un terme EFT donné - les 'paramètres de réglage' dans les lois de la physique - est dictée par les couplages et les types de particules présentes à hautes énergies et à petites distances. En ce sens, les coefficients EFT sont sensibles à une nouvelle physique."

Kolanowski, Horowitz, Remmen et Santos ont également découvert que la force de divergence des marées à l'horizon des trous noirs extrêmes, et l'éventuelle survenue d'une singularité de marée, dépendent fortement des coefficients EFT. Les résultats de leurs calculs suggèrent donc que la géométrie de l'espace-temps près de l'horizon de ces trous noirs est sensible à une nouvelle physique à des énergies plus élevées.

'Interestingly, this unexpected singularity is present for the values of these EFT coefficients generated by the Standard Model of particle physics,' Remmen said.

'Our results are surprising, since they imply that the low-energy description of physics can break down in a situation where you wouldn't expect that to happen. In physics, there's usually a sense of 'decoupling' between different distance scales. For example, you don't need to know the details of water molecules to describe waves using hydrodynamics. Yet for rapidly spinning black holes, that's precisely what happens: the low-energy EFT breaks down at the horizon.'

Overall, the calculations carried out by this team of researchers hint at the promise of extremal Kerr black holes for probing new physical phenomena. While the horizon of these black holes can be very large, it was not expected to have an infinitely large curvature (i.e., infinite tidal forces) in the EFT. Their results show that it does.

'In future work, we are interested in exploring whether the singularities can be resolved by ultraviolet physics,' Remmen added. 'A pressing question is whether the sensitivity of the horizon to new physics persists all the way to the Planck scale, or whether the horizon 'smooths out' at the short-distance scale associated with the EFT. We are also looking for other situations in which short distance effects might show up unexpected at large distances.'

Journal information: Physical Review Letters

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