Autrefois, les superordinateurs étaient le seul moyen de comprendre ce qui se passait lorsque deux trous noirs s’écrasaient. Vous avez besoin d’une puissance de traitement massive pour résoudre les équations d’Einstein. Les calculs deviennent lourds. La rotation devient compliquée. C’est un cauchemar pour quiconque ne vit pas dans un rack de serveur.
Maintenant? Les physiciens de Penn State disent que tout cela n’est pas nécessaire. Vous avez juste besoin de thermodynamique.
Cela semble ridicule. Les trous noirs sont des puits gravitationnels, pas des moteurs. Ce n’est pas de la vapeur ou du gaz. Ils ne devraient pas obéir aux lois de la chaleur. Mais ils le font. Ou du moins, ils agissent comme ils le font. Une nouvelle étude publiée dans Physical Review Letters suggère que la masse et la rotation finales d’un reste de trou noir suivent une règle étonnamment simple. Entropie maximale.
Pouvez-vous prédire une fusion de trous noirs avec une simple physique ?
Deux trous noirs en orbite ne restent pas séparés. La gravité les resserre davantage. Ils entrent en spirale. Puis ils entrent en collision. C’est un événement énergique. Cela déforme l’espace-temps. Il envoie des ondes gravitationnelles sur des milliards d’années-lumière.
Les détecteurs terrestres captent ces ondulations. On entend le crash. Le signal nous permet d’estimer la taille du trou noir restant. Le reste.
Habituellement, pour obtenir une prévision précise, il faut exécuter des simulations complexes. Résoudre des équations différentielles jusqu’à ce que votre tête tourne. L’équipe de Penn State a posé une question différente. Pouvons-nous ignorer le supercalculateur ? Pouvons-nous utiliser les principes thermodynamiques de base pour prédire le résultat ?
Monica Rincon-Ramirez, la première auteure de l’étude, l’exprime ainsi :
« Le dernier trou noir après une fusion sonne comme une cloche qui sonne, et il émet davantage d’ondes gravitationnelles jusqu’à ce qu’il se stabilise… La question que nous avons posée est la suivante : pouvons-nous prédire quel sera cet état final en utilisant des arguments issus de la thermodynamique ?
Il s’agit du comment. Comment la nature décide-t-elle de ce qui reste une fois la poussière retombée ?
Entropie, désordre et état final
La thermodynamique traite généralement des gaz. Moteurs. Cuisson. Beaucoup de particules s’agitent. Il décrit l’énergie, la chaleur et l’entropie à grande échelle. Nous ne suivons pas chaque molécule. Nous regardons la situation dans son ensemble.
La relativité générale fait les choses différemment. Il traite la gravité comme un espace-temps courbe. Déterministe. Une entrée, une sortie. Pas de hasard. On pensait autrefois que les trous noirs étaient totalement extérieurs à la thermodynamique. Cela a changé dans les années 1970, lorsque Stephen Hawking a montré qu’ils rayonnaient de l’énergie. Ils ont de l’entropie.
Les chercheurs de Penn State ont étendu cette idée. Ils ont étudié les systèmes binaires de trous noirs. Fusions. Plus précisément, ils ont examiné le moment cinétique. Il mesure le mouvement de rotation. Les fusions perdent de l’énergie et du moment cinétique à cause des ondes gravitationnelles.
Alors, que reste-t-il ?
Vaishak Prasad, co-auteur, explique clairement l’entropie :
“L’entropie est essentiellement une mesure du désordre… Une pièce en désordre a une entropie élevée… Une pièce parfaitement rangée a une faible entropie… La nature a tendance à dériver vers des états d’entropie élevée parce qu’ils sont plus nombreux.”
Les chercheurs émettent l’hypothèse que la fusion aurait le même effet. Le système dérive vers l’état ayant l’entropie la plus élevée possible. L’arrangement le plus probable. Une fois que vous avez pris en compte l’énergie et l’effet perdus.
Il s’agit d’une « conjecture d’entropie maximale ».
Simulations de correspondance sans le code
L’idée n’est pas nouvelle en théorie. Cela reflète la façon dont nous prédisons l’état final du mélange des gaz chauds et froids. Vous ne suivez pas chaque collision. Vous maximisez l’entropie. Vous obtenez la réponse.
L’équipe s’est demandé si la même logique s’appliquait aux trous noirs.
Ils l’ont testé. Ils ont cartographié la masse et le moment cinétique de la fusion des trous noirs avec une séquence de restes possibles en rotation. Ensuite, ils ont trouvé le point d’entropie maximal dans cette séquence. Enfin, ils l’ont comparé aux résultats de simulations de relativité numérique. Ces simulations sont la référence. Cher. Prend du temps. Précis.
Le match était saisissant.
“Remarquablement, nous observons que l’entropie de cette séquence atteint un maximum à des points étonnamment proches de la masse et du moment cinétique du reste final réel… un accord à quelques pour cent près”, a noté Rincon-Ramirez.
Ce n’est pas seulement une approximation. C’est à quelques pour cent de la simulation complexe. C’est impressionnant pour une règle aussi simple.
Eugenio Bianchi, professeur et co-auteur, souligne le contraste :
“Lorsque deux gaz chauds sont mis en contact… il n’est pas nécessaire de suivre l’interaction microscopique… Maximiser l’entropie, tout en tenant compte d’autres lois physiques, prédit le résultat. Notre nouvelle conjecture propose la même règle générale qui pourrait déterminer ce qui reste lorsque deux trous noirs se combinent.”
Pourquoi c’est important pour la physique des trous noirs
Le trou noir final oublie presque tout de la collision. Elle ne garde quasiment aucun souvenir de cette fusion chaotique. Ce qui reste est décrit par seulement deux chiffres. Masse et rotation. Le « théorème sans cheveux ».
Mais pourquoi ces chiffres précis ? Pourquoi pas une autre combinaison ?
L’approche thermodynamique offre une réponse. Le reste s’installe dans l’état qui maximise l’entropie. C’est le résultat le plus naturel et le plus probable.
BS. Sathyaprakash, qui a dirigé la recherche, y voit plus qu’un simple raccourci.
« Ce travail explore des possibilités surprenantes à l’intersection de la gravité, de la physique des trous noirs et de la thermodynamique… soulève une question transformatrice : la maximisation de l’entropie pourrait-elle être un principe organisateur fondamental régissant les interactions entre les trous noirs ? »
Cela va au-delà des lois établies de la mécanique des trous noirs. Cela suggère un lien plus profond entre la gravité et la thermodynamique. Une mesure qui pourrait s’appliquer à bien plus que de simples fusions.
La National Science Foundation des États-Unis a soutenu la recherche. Les résultats sont apparus dans Physical Review Letters à titre de suggestion de l’éditeur.
C’est une vision plus claire d’un univers désordonné. Nous n’avons pas besoin de simuler chaque atome de l’espace-temps. Il faut juste voir où s’installe le désordre.
Mais cela signifie-t-il que tous les événements cosmiques suivent des chemins thermodynamiques simples ? Ou les trous noirs sont-ils juste assez uniques pour contourner la règle ? Nous ne le saurons peut-être jamais avec certitude. L’univers ne s’explique pas toujours.
