Cosmologie quantique : des horizons des trous noirs à ceux de l’Univers

D’où vient l’Univers ? Où va-t-il ? Pour répondre à ces questions, il est essentiel de comprendre la physique sur deux niveaux, cosmologique et quantique. La cosmologie classique, fondée sur la théorie de la relativité générale d’Einstein, est souvent suffisante pour étudier l’Univers. Cependant, pour des événements particuliers comme sa naissance, la physique à petite échelle devient incontournable. C’est là qu’intervient la cosmologie quantique, un domaine qui a récemment fait des avancées notables grâce à la recherche sur les trous noirs, des objets célestes qui nécessitent également une compréhension quantique de la gravité.

Un lien fondamental entre les trous noirs et l’Univers réside dans leur « horizon des événements », des zones de non-retour. Pour un trou noir, cet horizon est la limite au-delà de laquelle même la lumière ne peut s’échapper. En 1998, il a été découvert que l’espace est non seulement en expansion, mais que cette expansion s’accélère sous l’effet d’une mystérieuse « énergie noire ». À me que le cosmos s’étend, les régions de l’espace s’éloignent les unes des autres, créant un horizon des événements sphérique, où tout ce qui se trouve au-delà demeure invisible.

Une distinction essentielle entre ces deux horizons est que, dans un trou noir, l’espace-temps s’effondre en une singularité, tandis que dans l’Univers, tout l’espace se développe uniformément. Notre horizon cosmologique actuel se situe à environ 16 milliards d’années-lumière. Si l’accélération se poursuit, aucune lumière émise au-delà de cette distance ne pourra nous atteindre.

Les trous noirs et l’Univers partagent d’autres caractéristiques. En 1974, Stephen Hawking a prouvé que les trous noirs émettent de la matière et des radiations, entraînant leur évaporation. Les horizons cosmologiques, quant à eux, réabsorbent leurs propres émissions et ne s’évaporent pas. Cela soulève un paradoxe : si les trous noirs peuvent disparaître, les informations qu’ils contiennent le peuvent aussi, ce qui contredit les principes de la mécanique quantique. En 2019, des physiciens ont montré que les données à l’intérieur d’un trou noir sont accessibles via son rayonnement de Hawking.

Cette découverte a ravivé l’intérêt pour la cosmologie quantique. En raison des similitudes mathématiques entre les trous noirs et les horizons cosmiques, beaucoup ont pensé qu’il était impossible de comprendre l’un sans l’autre. Bien que le problème ne soit pas entièrement résolu, de nouveaux outils ont émergé pour explorer les liens entre gravité et mécanique quantique.

Un aspect clé des avancées récentes est le « principe holographique », proposé dans les années 1990 par Gerard’t Hooft et Leonard Susskind. Ce principe suggère qu’une théorie de la gravité quantique capable de décrire les trous noirs devrait être formulée dans un espace à deux dimensions. Ce constat repose sur le fait que l’entropie d’un trou noir est proportionnelle à la surface de son horizon et non à son volume.

Les horizons cosmiques possèdent également une entropie, mais leur interprétation physique reste floue. Si cette entropie me la quantité de matière pouvant exister au-delà de l’horizon, cela suggérerait une limite à la matière dans notre Univers.

Des recherches récentes examinent si l’on peut accéder aux informations au-delà de l’horizon cosmologique en collectant son rayonnement. Cela a conduit à l’idée d’univers auxiliaires quantiquement intriqués avec le nôtre, permettant potentiellement d’accéder aux informations perdues. Cependant, ces analyses posent des défis, notamment en ce qui concerne la nature de l’intrication dans un espace-temps en expansion.

Malgré des progrès, la compréhension des horizons des trous noirs et de l’horizon cosmologique de l’Univers reste incomplète. L’objectif est de développer une théorie quantique complète de notre Univers en expansion, idéalement sous une forme holographique. Cela pourrait être réalisé soit par la théorie des cordes, soit par l’exploration des propriétés théoriques d’une telle description.

À la tête des efforts pour obtenir ces données théoriques se trouve Dionysios Anninos, qui a contribué à de nombreuses avancées vers une description holographique. D’autres chercheurs, comme Edward Witten, poursuivent également ces travaux, cherchant à comprendre comment le lien entre un observateur et l’horizon cosmologique affecte la cosmologie quantique.

Ces recherches pourraient finalement conduire à une cosmologie quantique solide, offrant une meilleure compréhension de l’Univers dans son ensemble.

Source : Pour la Science