Trous noirs et expansion cosmique : nouvelles révélations sur l’énergie sombre

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Crédit : image générée par l’IA

Selon une nouvelle étude, dans un univers en expansion, le taux d’expansion de l’univers à l’horizon des événements de chaque trou noir doit être une constante dans les équations d’Einstein. Cela implique que la seule énergie présente à l’horizon des événements est l’énergie sombre.

Origine des trous noirs et horizon des événements

Les trous noirs, des objets célestes d’une densité extrême et d’une force gravitationnelle si intense que même la lumière ne peut s’en échapper, ont été prédits pour la première fois par Karl Schwarzschild en 1916.

Utilisant les équations de la relativité générale d’Einstein, Schwarzschild décrivait alors un objet massif, non rotatif, et parfaitement sphérique, donnant naissance au concept d’horizon des événements. Imaginez une surface critique entourant le trou noir où toute matière ou énergie se trouvant à l’intérieur est irrémédiablement attirée vers le centre du trou noir. L’horizon des événements serait ainsi considéré comme le point de non-retour.

Depuis lors, les astronomes ont découvert que la plupart des galaxies, y compris la Voie Lactée, abritent des trous noirs supermassifs en leur centre.

Nouvelle découverte

Plus récemment, une étude menée par Nikodem Popławski, de l’Université de New Haven, a apporté un éclairage nouveau sur la relation entre les trous noirs et l’expansion de l’univers.

Le chercheur a essentiellement découvert que dans un univers en expansion, les équations d’Einstein imposent que le taux d’expansion de l’univers de l’espace au niveau de l’horizon des événements d’un trou noir est une constante liée uniquement à la constante cosmologique. Elle est souvent interprétée comme la densité d’énergie du vide de l’espace-temps et est aujourd’hui connue sous le nom de densité d’énergie sombre.

Pour parvenir à cette conclusion, Popławski a utilisé la solution de McVittie qui a été développée en 1933 par le mathématicien et cosmologiste britannique George McVittie. Il avait résolu les équations d’Einstein pour décrire la structure de l’espace-temps autour d’une masse dans un univers en expansion. Il avait ainsi montré que près de cette masse, l’espace-temps ressemble à celui décrit par Schwarzschild avec un horizon des événements, tandis que plus loin de la masse, l’univers s’étend de manière similaire à notre univers actuel.

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Illustration d’un trou noir au centre d’une galaxie. Crédits : ClaudioVentrella/istock

Quelles implications ?

Popławski a donc découvert que le taux d’expansion de l’espace à l’horizon des événements doit être une constante. Comme mentionné précédemment, elle est liée uniquement à la constante cosmologique, ou densité d’énergie sombre, ce qui implique que l’énergie présente à l’horizon des événements est uniquement de l’énergie noire.

Les implications de cette découverte sont significatives. Tout d’abord, elle suggère que l’univers ne s’étend pas uniformément, mais que différentes régions se développent à des rythmes différents, une variation connue sous le nom de « tension de Hubble ». Cette tension provient de la différence entre les mesures du taux d’expansion de l’univers selon si elles sont basées sur des observations anciennes ou plus récentes comme le fond diffus cosmologique.

Popławski avance que cette différence peut être expliquée en analysant correctement l’espace-temps autour des trous noirs dans un univers en expansion en utilisant la théorie de la relativité générale d’Einstein. En d’autres termes, les variations dans le taux d’expansion peuvent être attribuées aux effets de la gravité et de l’espace-temps près des objets massifs comme les trous noirs.

De plus, ses calculs indiquent que pour permettre ces variations dans l’expansion, la constante cosmologique, qui représente la densité d’énergie sombre, doit avoir une valeur positive. Cette constante est essentielle pour maintenir l’univers ouvert et en expansion constante. Si elle était négative ou nulle, l’univers serait fermé et incapable de supporter l’expansion observée, ce qui contredirait les données actuelles.

En fin de compte, les travaux de Nikodem Popławski enrichissent non seulement notre compréhension des trous noirs, mais ils pourraient également transformer notre vision de l’expansion de l’univers et de l’énergie sombre. Ces découvertes apportent de nouvelles questions et hypothèses, propulsant la recherche en cosmologie vers des horizons encore inexplorés.