Quand la compréhension des trous noirs passe par la théorie des cordes
Qu’ont en commun les trous noirs et la théorie des cordes? Bien plus qu’il n’y parait. Pour commencer, ils sont tous les deux très chaotiques. «Dans la théorie des cordes, une énorme boule de cordes enchevêtrées peut présenter une structure très compliquée dotée un très grand nombre d’états mécaniques quantiques, une caractéristique qui présente de nombreuses similitudes séduisantes avec les trous noirs, qui sont considérés comme les systèmes les plus chaotiques de la nature», explique Vasilis Niarchos, physicien à l’université de Crète(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). Dans ce contexte, la théorie des cordes offre une voie prometteuse pour résoudre l’une des principales énigmes de la physique théorique moderne, à savoir l’origine mécanique quantique et microscopique de l’entropie correspondante des trous noirs dans la gravité quantique. Selon lui, puisque les états de cordes hautement excités sont des états quantiques complexes à haute entropie dans une théorie quantique de la gravité, ils constituent un terrain naturel pour de telles questions. «Il est extrêmement intéressant d’étudier comment les cordes hautement excitées interagissent, comment elles absorbent et émettent des radiations, comment leur complexité affecte leur dynamique et, en général, dans quelle mesure elles se comportent comme des trous noirs», explique-t-il. Avec le soutien du projet BlackHoleChaos financé par l’UE, Vasilis Niarchos, ainsi que Maurizio Firrotta, boursier du programme Actions Marie Skłodowska-Curie(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), se sont plongés dans le chaos des interactions entre les cordes.
Connecter les cordes à la physique des trous noirs
Dans le but de relier les cordes à la physique des trous noirs, le projet a concentré ses recherches sur les processus de diffusion. Durant ces processus, les cordes hautement excitées se dispersent les unes par rapport aux autres tout en émettant ou en absorbant un rayonnement gravitationnel ou électromagnétique. «Nous avons mis en œuvre et développé un ensemble d’outils mathématiques qui nous ont permis d’étudier explicitement la diffusion d’états de cordes hautement excitées dans la théorie des cordes en interaction faible», note Vasilis Niarchos. «Il s’agit de processus extrêmement complexes d’un point de vue mathématique qui, jusqu’à récemment, étaient pour la plupart hors de portée.» Le projet a également introduit de nouveaux diagnostics basés sur la diffusion pour des interactions de cordes qui peuvent quantifier la complexité de la dynamique sous-jacente.
Un nouvel éclairage sur la microphysique des trous noirs
À partir de ces travaux, les chercheurs ont non seulement établi des expressions mathématiques compactes pour les amplitudes complexes d’états de cordes hautement excitées, mais ils ont également proposé des mesures spécifiques du chaos dans les amplitudes de diffusion des cordes. De plus, le projet a développé un nouveau calcul des probabilités d’absorption et des taux d’émission des cordes hautement excitées. Le calcul a révélé qu’une notion émergente de température découle des micro-états de cordes quantiques, ainsi que d’un schéma d’émission de corps noir approximatif qui ressemble à celui de la physique des trous noirs. «Ces résultats seront utiles dans de futures tentatives pour faire progresser notre compréhension conceptuelle de la microphysique des trous noirs et des dynamiques complexes ou chaotiques dans le contexte de la gravité quantique», confie Vasilis Niarchos. «Nous espérons qu’ils inspireront également des applications interdisciplinaires dans d’autres domaines de la physique où les techniques de diffusion sont utiles, comme l’analyse des ondes gravitationnelles en astrophysique.»
Explorer d’autres parallèles en physique des trous noirs
Bien que le projet ait fourni des résultats concrets sur le comportement statistique complexe des cordes hautement excitées, il reste encore du travail à accomplir. «Nous aimerions utiliser les résultats et les techniques que nous avons développés pour mieux comprendre comment les objets complexes extrêmement massifs interagissent dans la théorie des cordes et quels autres parallèles existent avec la physique des trous noirs, ainsi que pour développer un nouveau pont vers la phénoménologie des ondes gravitationnelles», conclut Vasilis Niarchos.