Wormhole: histoire, théorie, types, formation, voyage dans le temps

Un trou de ver, en astrophysique et en cosmologie, est un passage qui relie deux points du tissu de l’espace-temps. Tout comme la chute de la pomme a inspiré la théorie de la gravitation d'Isaac Newton en 1687, les vers qui perforent les pommes ont inspiré de nouvelles théories, également dans le cadre de la gravitation.

Tout comme le ver parvient à atteindre un autre point à la surface du bloc par un tunnel, les trous de ver spatio-temporels sont des raccourcis théoriques qui permettent de se rendre plus rapidement dans des sites lointains de l'univers.

C'est une idée qui a capté et continue de captiver l'imagination de beaucoup. Pendant ce temps, les cosmologues sont en train de chercher des moyens de prouver leur existence. Mais pour le moment, ils font encore l’objet de spéculations.

Pour se rapprocher un peu plus de la compréhension des trous de ver, de la possibilité de voyager dans le temps à travers eux et des différences qui existent entre les trous de ver et les trous noirs, nous devons nous placer dans le concept d'espace-temps.

Qu'est-ce que l'espace-temps?

Le concept d'espace-temps est étroitement lié à celui de vortex. C'est pourquoi il est nécessaire d'établir d'abord ce que c'est et quelle est sa caractéristique principale.

Spacetime est l'endroit où chaque événement de l'univers se produit. Et l'univers à son tour est la totalité de l'espace-temps, capable de loger toutes les formes d'énergie matière et plus encore ...

Lorsque le petit ami rencontre sa petite amie, il s'agit d'un événement, mais cet événement a des coordonnées spatiales: le lieu de la réunion. Et une coordonnée temporelle: année, mois, jour et heure de la réunion.

La naissance d'une étoile ou l'explosion d'une supernova sont également des événements qui se déroulent dans l'espace-temps.

Or, dans une région de l'univers sans masse ni interactions, l'espace-temps est plat. Cela signifie que deux rayons lumineux qui commencent parallèlement continuent ainsi, tant qu'ils restent dans cette région. Au fait, pour un rayon de lumière, le temps est éternel.

Bien sûr, l'espace-temps n'est pas toujours plat. L'univers contient des objets dont la masse modifie l'espace-temps, générant une courbure espace-temps à l'échelle universelle.

C'est Albert Einstein lui-même qui a compris, dans un moment d'inspiration, qu'il qualifiait d ' "idée la plus heureuse de ma vie" qu'un observateur accéléré est indiscernablement local de quelqu'un qui est proche d'un objet massif. C'est le fameux principe d'équivalence.

Et un observateur accéléré courbe l'espace-temps, c'est-à-dire que la géométrie euclidienne n'est plus valide. Par conséquent, dans l'environnement d'un objet massif tel qu'une étoile, une planète, une galaxie, un trou noir ou l'univers lui-même, l'espace-temps est courbe.

L'être humain perçoit cette courbure comme une force appelée gravité, quotidienne mais mystérieuse à la fois.

La gravité est aussi énigmatique que la force qui nous pousse en avant lorsque l'autobus que nous empruntons s'arrête brusquement. C'est comme si soudainement quelque chose d'invisible, sombre et massif se tenait un instant devant nous et nous attirait, nous poussant soudainement en avant.

Les planètes se déplacent sous une forme elliptique autour du Soleil car la masse de celle-ci produit une dépression à la surface de l’espace-temps qui fait que les planètes courbent leurs trajectoires. Un rayon lumineux courbe également sa trajectoire suivant la dépression espace-temps produite par le Soleil.

Tunnels à travers l'espace - le temps

Si l'espace-temps est une surface courbe, rien n'empêche en principe une zone de se connecter à une autre par un tunnel. Voyager dans un tunnel comme celui-ci impliquerait non seulement de changer de lieu, mais aussi d'offrir la possibilité d'aller à un autre moment.

Cette idée a inspiré de nombreux livres, séries et films de science-fiction, dont la célèbre série américaine des années soixante "The tunnel of time" et plus récemment "Deep Space 9" de la franchise Star Trek et le film Interstellar 2014.

L'idée est venue du même Einstein, qui recherchait des solutions aux équations du champ de la relativité générale, a trouvé avec Nathan Rosen une solution théorique qui permettait de relier deux régions différentes de l'espace-temps via un tunnel fonctionnant comme un raccourci.

Cette solution est connue sous le nom de pont Einstein-Rosen et figure dans un ouvrage publié en 1935.

Cependant, le terme "trou de ver" a été utilisé pour la première fois en 1957, grâce aux physiciens théoriciens John Wheeler et Charles Misner dans une publication de cette année. Auparavant, il avait été question de "tubes unidimensionnels" pour renvoyer à la même idée.

Plus tard en 1980, Carl Sagan écrivait le roman de science-fiction "Contact", un livre à partir duquel un film a ensuite été tourné. Le protagoniste nommé Elly découvre la vie extraterrestre intelligente à 25 000 années-lumière. Carl Sagan voulait qu'Elly s'y rende, mais d'une manière scientifiquement crédible.

Se déplacer à 25 000 années-lumière n’est pas une tâche facile pour un humain, à moins de rechercher un raccourci. Un trou noir ne peut pas être une solution, car à l'approche de la singularité, une gravité différentielle déchirerait le navire et son équipage.

À la recherche d'autres possibilités, Carl Sagan consulta l'un des principaux experts en trous noirs de l'époque: Kip Thorne, qui commença à réfléchir à la question et réalisa que les ponts ou les trous de ver Einstein-Rosen Wheeler était la solution.

Cependant, Thorne a également remarqué que la solution mathématique était instable, c'est-à-dire que le tunnel s'ouvre, mais en peu de temps, il étrangle et disparaît.

L'instabilité des vortex

Est-il possible d'utiliser des trous de ver pour parcourir de grandes distances dans le temps et dans l'espace?

Depuis leur conception, les trous de ver ont servi dans de nombreux complots de science-fiction pour emmener leurs protagonistes dans des endroits lointains et expérimenter les paradoxes du temps non linéaire.

Kip Thorne a trouvé deux solutions possibles au problème de l'instabilité des trous de ver:

• À travers la mousse dite quantique . À l'échelle de Planck (10-35 m), il existe des fluctuations quantiques capables de connecter deux régions de l'espace-temps à travers des microtunnels. Une civilisation hypothétique très avancée pourrait trouver un moyen d’élargir les passages et de les garder assez longtemps pour qu’un humain puisse les traverser.
• Matière de masse négative. Selon les calculs publiés en 1990 par Thorne lui-même, il faudrait d’énormes quantités de cette matière étrange pour garder les extrémités du vortex ouvertes.

La chose remarquable à propos de cette dernière solution est que, contrairement aux trous noirs, il n’ya ni singularité ni phénomène quantique, et le passage des humains à travers ce type de tunnel serait réalisable.

De cette manière, les trous de ver permettraient non seulement de connecter des régions distantes dans l'espace, mais aussi de se séparer dans le temps. Ce sont donc des machines pour voyager dans le temps.

Stephen Hawking, la grande référence de la cosmologie de la fin du XXe siècle, ne croyait pas la faisabilité ni les trous de ver, ni les machines à remonter le temps, à cause des nombreux paradoxes et contradictions qui en découlent.

Cela n'a pas diminué l'esprit des autres chercheurs, qui ont suggéré la possibilité que deux trous noirs situés dans différentes zones de l'espace-temps soient reliés en interne par un trou de ver.

Bien que cela ne soit pas pratique pour les voyages spatio-temporels, car en dehors des tribulations qui amèneraient à entrer dans la singularité du trou noir, il n’y aurait aucune possibilité de partir par l’autre extrémité, car c’est un autre trou noir.

Différences entre les trous noirs et les trous de ver

Lorsque vous parlez d'un trou de ver, vous pensez aussi immédiatement aux trous noirs.

Un trou noir se forme naturellement, après l'évolution et la mort d'une étoile ayant une certaine masse critique.

Il survient après que l’étoile a épuisé son combustible nucléaire et commence à se contracter de manière irréversible en raison de sa propre force gravitationnelle. Il continue sans relâche jusqu'à causer un tel effondrement que rien de moins que le rayon de l'horizon des événements ne peut s'échapper, pas même la lumière.

En comparaison, un trou de ver est un événement exceptionnel, conséquence d'une anomalie hypothétique de la courbure de l'espace-temps. En théorie, il est possible de les parcourir.

Cependant, si quelqu'un essayait de traverser un trou noir, la gravité intense et le rayonnement extrême au voisinage immédiat de la singularité en feraient un mince filet de particules subatomiques.

Il existe des preuves indirectes et très récemment encore des preuves directes de l’existence de trous noirs. Parmi ces évidences, il y a l'émission et la détection d'ondes gravitationnelles par l'attraction et la rotation de deux trous noirs colossaux, détectées par l'observatoire d'ondes gravitationnelles du LIGO.

Il existe des preuves que dans le centre des grandes galaxies, comme notre voie lactée, se trouve un trou noir supermassif.

La rotation rapide des étoiles près du centre, ainsi que l'énorme quantité de radiations haute fréquence qui en émane, sont une preuve indirecte de l'existence d'un énorme trou noir qui explique la présence de ces phénomènes.

Ce n'est que le 10 avril 2019 que la première photographie d'un trou noir supermassif (7 000 millions de fois la masse du Soleil) a été montrée au monde, située dans une galaxie très lointaine: Messier 87 dans la constellation de la Vierge, à 55 millions des années lumière de la Terre.

Cette photographie d'un trou noir a été rendue possible grâce au réseau mondial de télescopes, appelé "Event Horizon Telescope", avec la participation de plus de 200 scientifiques du monde entier.

À la place, il n’existe aucune preuve concernant les trous de ver. Les scientifiques ont pu détecter et suivre un trou noir, mais cela n'a pas été possible avec des trous de ver.

Par conséquent, ce sont des objets hypothétiques, bien que théoriquement réalisables, car jadis ils étaient aussi des trous noirs.

Variété / types de trous de ver

Bien qu'ils n'aient pas encore été détectés, ou peut-être précisément à cause de cela, ils ont imaginé différentes possibilités de trous de ver. Tous sont théoriquement réalisables, puisqu'ils satisfont les équations d'Einstein pour la relativité générale. En voici quelques unes:

• Des trous de ver qui relient deux régions spatio-temporelles du même univers.
• Des trous de ver capables de connecter un univers avec un autre univers.
• Ponts d'Einstein-Rosen, dans lesquels la matière pourrait passer d'une ouverture à l'autre. Bien que cette étape de la matière provoque une instabilité, le tunnel s’effondre sur lui-même.
• Le vortex de Kip Thorne, avec une coquille sphérique de matière de masse négative. Il est stable et irréversible dans les deux sens.
• Le soi-disant trou de ver de Schwarzschild, constitué de deux trous noirs statiques connectés. Ils ne sont pas traversables car la matière et la lumière sont piégées entre les deux extrémités.
• Trous de ver avec charge et / ou rotation ou Kerr, consistant en deux trous noirs dynamiques connectés en interne, traversables dans un seul sens.
• Mousse spatio-temporelle quantique, dont l'existence est théorisée au niveau subatomique. La mousse est composée de tunnels subatomiques très instables qui relient différentes zones. Pour les stabiliser et les développer, il faudrait créer un plasma de quarks et de gluons, ce qui exigerait une quantité d'énergie presque infinie pour leur génération.
• Plus récemment, grâce à la théorie des cordes, il a été théorisé sur les trous de ver supportés par des cordes cosmiques.
• Des trous noirs s'entrelacent puis se séparent, d'où émerge un trou spatio-temporel ou pont d'Einstein-Rosen maintenu par la gravité. C'est une solution théorique proposée en septembre 2013 par les physiciens Juan Maldacena et Leonard Susskind.

Tous sont parfaitement possibles, car ils ne sont pas contradictoires avec les équations de la relativité générale d'Einstein.

Est-il possible de voir des trous de ver un jour?

Pendant longtemps, les trous noirs étaient des solutions théoriques aux équations d'Einstein. Einstein lui-même s'est interrogé sur la possibilité qu'ils puissent jamais être détectés par l'humanité.

Donc, pendant longtemps, les trous noirs sont restés une prédiction théorique, jusqu'à ce qu'ils soient trouvés et localisés. Les scientifiques ont le même espoir en ce qui concerne les trous de ver.

Il est fort possible qu'ils soient également présents, mais ils n'ont pas encore appris à les localiser. Bien que selon une publication très récente, les trous de ver laisseraient des traces et des ombres observables même avec des télescopes.

On pense que les photons se déplacent autour du trou de ver générant un anneau lumineux. Les photons les plus proches tombent à l'intérieur et laissent derrière eux une ombre qui les différenciera des trous noirs.

Selon Rajibul Shaikh, physicien à l'Institut Tata de recherche fondamentale à Mumbai en Inde, un type de trou de ver rotatif produirait une ombre plus large et déformée qu'un trou noir.

Dans son travail, Shaikh a étudié les ombres théoriques projetées par une certaine classe de trous de ver en rotation, en se concentrant sur le rôle crucial de la gorge du trou dans la formation d'une ombre à photons qui l'identifie et la différencie d'un trou noir.

Shaikh a également analysé la dépendance de l'ombre avec la rotation du trou de ver et l'a également comparée à l'ombre projetée par un trou noir en rotation de Kerr, en trouvant des différences significatives. C'est un travail complètement théorique.

En dehors de cela, pour le moment, les trous de ver restent des abstractions mathématiques, mais il est possible que très bientôt on puisse les voir. Ce qui se trouve à l’autre extrême reste pour le moment sujet de conjectures.