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Les trous noirs décrits comme des atomes gravitationnels

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Avr 20, 2019

Le Perimeter Institute décrit l'état lié d'un trou noir et des particules comme un "atome gravitationnel".

Par : William Brown

Dans un article publié par le Perimeter Institute for Theoretical Physics et l'Université Stanford, des chercheurs décrivent comment les trous noirs astronomiques peuvent lier les particules environnantes pour former un atome gravitationnel analogue à l'hydrogène, le trou noir agissant comme noyau et les particules environnantes formant un état semblable à celui du nuage électronique.

Bien que l'idée d'un atome gravitationnel puisse sembler nouvelle, les principes sous-jacents à un tel état ont été décrits dans les années 1960 par le physicien Roger Penrose, où il a montré que l'énergie et le moment angulaire peuvent être extraits de la région environnante des trous noirs.

Avant Penrose, dans les années 1950, le physicien John Archibald Wheeler a formulé une description des objets électromagnétiques gravitationnels connus sous le nom de géons [1], où l'énergie électromagnétique peut devenir si élevée qu'elle se courbe de nouveau sur elle-même par interaction gravitationnelle, forme un trou noir torique et apparaît presque identique à une particule subatomique élémentaire (une solution produisant 'masse sans masse', sans Higgs nécessaire).

Plus récemment, à partir des années 1990, le physicien Nassim Haramein a démontré comment les "atomes gravitationnels" (pour utiliser le langage de l'Institut Perimeter) dans lesquels les protons sont des trous noirs, sont la clé pour comprendre les propriétés fondamentales de la matière ainsi que l'action de la gravité quantique (résultant des vibrations électromagnétiques du vide quantique à l'échelle de Planck) - unifiant la physique quantique à l'échelle cosmologique.

L'idée clé de l'article récent est de réaliser que les trous noirs astronomiques et la sphère de particules qui les entoure peuvent être considérés comme des atomes macroscopiques (l'affirmation réciproque étant également valable, dans laquelle les atomes sont de minuscules trous noirs). En effet, dans son annonce, le Perimeter Institute commence par expliquer comment les particules peuvent essentiellement être de n'importe quelle taille :

"Les particules peuvent être énormes ", explique Asimina Arvanitaki, physicienne théorique des particules, membre de la faculté de l'Institut Perimeter. "En fait, ils peuvent être plus grands qu'une pièce, ou ils peuvent être aussi grands que l'univers."

La modélisation des trous noirs en tant que grands atomes offre des avantages particuliers pour comprendre les processus physiques fondamentaux et la dynamique, tout comme la compréhension des atomes en tant que petits trous noirs (voir par exemple le Proton Schwarzschild de Haramein). L'un de ces résultats phénoménaux que l'on a supposé se produire en raison de la liaison gravitationnelle des particules dans l'ergosphère (la région environnante de trous noirs traînés par le cadre qui résulte de la gravité élevée et de la rotation produisant un fort effet magnétogravitique) est un effet appelé superradiance.

Figure2

L'effet est produit par le processus de Penrose, dans lequel l'énergie et le moment angulaire sont transférés d'un trou noir à une particule qui pénètre dans l'ergo-région autour de l'horizon des événements. Comme la particule est liée gravitationnellement au trou noir, elle forme l'une quelconque des configurations de fonction d'onde semblables aux orbites d'électrons autour de l'hydrogène, et est donc appelée un atome gravitationnel. Lorsque la particule d'onde résonne dans l'ergosphère, elle gagne de l'énergie et du momentum angulaire par le processus de Penrose, et le nombre de fonctions d'onde est amplifié, c'est-à-dire que des particules sont produites à partir de l'ergosphère du trou noir. Au fur et à mesure que l'effet se poursuit, le nombre de particules augmente de façon exponentielle. C'est ce qu'on appelle la superradiance (la superradiance est observée dans des phénomènes tels que le rayonnement Cherenkov, qui se produit lorsque les particules traversent une substance diélectrique plus rapidement que la vitesse de la lumière pour ce milieu, produisant une onde de choc similaire aux phénomènes supersoniques dans l'air).

Figure3

Il est à noter que dans le rapport, les chercheurs font spécifiquement référence à une particule conjecturée à partir de la chromodynamique quantique (QCD) du modèle standard de la physique des particules, connu sous le nom de QCD axion. Semblable à la force forte, l'axion QCD a été inventée ad hoc, pour expliquer les problèmes particuliers associés au modèle QCD de la force forte. Par exemple, Gerard't Hooft a démontré qu'en raison de la structure non triviale du vide, de fortes interactions modélisées par QCD entraîneraient un moment dipolaire électrique important pour le neutron, qui n'est pas observé. Pour surmonter ce désaccord d'observation avec le modèle standard, l'axion QCD a été introduite. En raison de ses propriétés théoriques, il est considéré comme un bon candidat pour la matière noire. De plus, les axions sont théorisés pour avoir jusqu'à 15 kilomètres de diamètre - assez grands pour former une onde de résonance avec l'ergosphère d'un trou noir stellaire.

En superradiance, comme dans le cas de l'émission spontanée ou stimulée de photons par les électrons dans les atomes (ces derniers se traduisant par un laser, et il existe même des lasers superradiants), la sphère de particules autour d'un trou noir peut osciller entre des orbites à haute énergie et à basse énergie. Arvanitaki et ses collaborateurs de l'Université de Stanford font ici une hypothèse intéressante : la transition des particules superradiantes d'un niveau orbital élevé à un niveau orbital bas devrait entraîner l'émission de gravitons (unités quantiques des ondes gravitationnelles). L'Observatoire des ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser (LIGO) a détecté des ondes gravitationnelles. La détection des ondes de gravité émises par le processus superradiant des atomes du trou noir gravitationnel pourrait vérifier de tels états.

La théorie est particulièrement intéressante pour les physiciens de la Resonance Science Foundation, car elle établit des parallèles étroits entre les trous noirs et les particules subatomiques, comme le proton, montrant que la similitude d'un trou noir de masse stellaire avec un atome réel est très proche. De plus, Haramein a décrit la formation du noyau atomique par gravité quantique (en utilisant et en unifiant les propriétés quantiques et relativistes), mais on a souvent demandé comment le modèle décrit les électrons et les orbites électroniques des atomes. Haramein a décrit l'orbite des électrons comme étant la région ergosphérique du proton du trou noir - une conclusion qui rappelle étroitement la théorie ci-dessus que viennent de publier des chercheurs du Perimeter Institute et de la Stanford University. La détection des émissions gravitationnelles des atomes du trou noir pourrait être une validation empirique majeure de la gravité quantique et de la masse holographique, un résultat que nous attendons avec impatience !

1] On associe à une perturbation électromagnétique une masse dont l'attraction gravitationnelle, dans des circonstances appropriées, est capable de maintenir la perturbation ensemble pendant un certain temps en comparaison avec les périodes caractéristiques du système. Ces entités gravitationnelles-électromagnétiques, ou " géons ", sont analysées par la théorie classique de la relativité.