Les astronautes pourraient-ils survivre à un voyage interstellaire dans un trou de ver?

Dans l’opéra spatial Interstellar, les astronautes cherchant à sauver l’humanité ont trouvé une bouée de sauvetage: un trou de ver qui est apparu mystérieusement à côté de Saturne. Le tunnel dans l'espace-temps mène à une galaxie lointaine et permet de trouver des planètes habitables que les humains peuvent coloniser. Le trou de ver du film est basé sur la physique réelle de Kip Thorne, un professeur à la retraite de CalTech, un pionnier de l'astrophysique qui a également aidé Carl Sagan à concevoir son trou de ver pour le roman Contact . Les visualisations sont époustouflantes et sont considérées comme des simulations parmi les plus précises de trous de ver et de trous noirs dans un film. Mais il y a un aspect de plonger dans un express interstellaire que le film n'aborde pas: comment survivez-vous au voyage?

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Bien qu'ils ne l'aient pas appelé ainsi, le trou de ver d'origine était une idée originale d'Albert Einstein et de son assistant Nathan Rosen. Ils essayaient de résoudre les équations d'Einstein pour la relativité générale d'une manière qui conduirait finalement à un modèle purement mathématique de l'univers entier, y compris la gravité et les particules qui composent la matière. Leur tentative consistait à décrire l’espace comme deux feuilles géométriques reliées par des "ponts" que nous percevons comme des particules.

Un autre physicien, Ludwig Flamm, avait découvert de manière indépendante de tels ponts en 1916 dans sa solution aux équations d'Einstein. Malheureusement pour tous, cette "théorie de tout" n'a pas fonctionné, car les ponts théoriques ne se sont finalement pas comportés comme de vraies particules. Cependant, dans son article de 1935, Einstein et Rosen ont popularisé le concept de tunnel à travers le tissu de l'espace-temps et ont amené d'autres physiciens à réfléchir sérieusement à leurs implications.

Le physicien de Princeton, John Wheeler, a inventé le terme "trou de ver" dans les années 1960, alors qu'il explorait les modèles de ponts Einstein-Rosen. Il a noté que les ponts ressemblent aux trous que les vers creusent dans les pommes. Une fourmi qui rampe d'un côté à l'autre de la pomme peut marcher tout autour de sa surface incurvée ou emprunter un raccourci dans le tunnel du ver. Imaginons maintenant que notre espace-temps tridimensionnel est la peau d’une pomme qui s’enroule autour d’une dimension supérieure appelée "le vrac". Un pont Einstein-Rosen est un tunnel traversant la masse qui permet aux voyageurs de prendre une voie rapide entre deux points de l’espace. Cela semble étrange, mais c'est une solution mathématique légitime à la relativité générale.

Wheeler s'est rendu compte que la bouche des ponts d'Einstein-Rosen correspondait parfaitement aux descriptions de ce que l'on appelle un trou noir de Schwarzschild, une simple sphère de matière si dense que même la lumière ne peut échapper à son attrait gravitationnel. Ah-ha! Les astronomes croient que les trous noirs existent et se forment lorsque les noyaux d'étoiles extrêmement massives s'effondrent sur eux-mêmes. Alors, les trous noirs pourraient-ils aussi être des trous de ver et donc des passerelles vers les voyages interstellaires? Mathématiquement, peut-être, mais personne ne survivrait au voyage.

Dans le modèle de Schwarzschild, le cœur sombre d'un trou noir est une singularité, une sphère neutre, immobile, d'une densité infinie. Wheeler a calculé ce qui se passerait si un trou de ver venait à naître lorsque deux singularités de parties très éloignées de l'univers se confondaient, créant ainsi un tunnel entre des trous noirs de Schwarzschild. Il a découvert qu'un tel trou de ver est intrinsèquement instable: le tunnel se forme, mais ensuite il se contracte et se bloque, vous laissant une fois de plus avec seulement deux singularités. Ce processus de croissance et de contraction se produit si rapidement que même la lumière ne parvient pas à traverser le tunnel et qu'un astronaute essayant de le traverser rencontrerait une singularité. C'est la mort subite, alors que les forces gravitationnelles immenses déchireraient le voyageur.

"Quiconque tentera le voyage sera détruit à la volée!" Thorne écrit dans son livre d'accompagnement au film, The Science of Interstellar .

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Il existe une alternative: un trou noir en rotation de Kerr, ce qui est une autre possibilité en relativité générale. La singularité à l'intérieur d'un trou noir de Kerr est un anneau par opposition à une sphère, et certains modèles suggèrent qu'une personne pourrait survivre au voyage si elle passe parfaitement au centre de cet anneau comme un ballon de basket dans un cerceau. Thorne, cependant, a un certain nombre d'objections à cette notion. Dans un article de 1987 sur le voyage via un trou de ver, il note que la gorge d’un trou de ver Kerr contient une région appelée un horizon de Cauchy qui est très instable. Le calcul dit que dès que quelque chose que ce soit, même la lumière, tente de dépasser cet horizon, le tunnel s’effondre. Même si le trou de ver pouvait être stabilisé d'une manière ou d'une autre, la théorie quantique nous dit que l'intérieur devrait être inondé de particules de haute énergie. Mettez le pied dans un trou de ver Kerr et vous serez frits.

Le truc, c’est que la physique n’a pas encore épousé les règles classiques de la gravité avec le monde quantique, un élément mathématique insaisissable que de nombreux chercheurs tentent de cerner. Juan Maldacena à Princeton et Leonard Susskind à Stanford ont proposé que les trous de ver ressemblent aux manifestations physiques de l'enchevêtrement, lorsque des objets quantiques sont liés, quelle que soit leur distance.

Einstein a décrit l'enchevêtrement comme une "action fantasmagorique à distance" et a résisté à cette idée. Mais de nombreuses expériences nous disent que l'enchevêtrement est réel: il est déjà utilisé commercialement pour protéger les communications en ligne, telles que les transactions bancaires. Selon Maldacena et Susskind, de grandes quantités d’enchevêtrement changent la géométrie de l’espace-temps et peuvent donner lieu à des trous de ver sous forme de trous noirs enchevêtrés. Mais leur version n'est pas une passerelle interstellaire.

"Ce sont des trous de ver qui ne vous permettent pas de voyager plus vite que la lumière", explique Maldacena. "Cependant, ils peuvent vous permettre de rencontrer quelqu'un à l'intérieur, avec la petite mise en garde qu'ils mourraient tous les deux à cause d'une singularité gravitationnelle."

OK, donc les trous noirs sont un problème. Que peut donc être un trou de ver? Avi Loeb, du Centre astrophysique Harvard-Smithsonian, déclare que nos options sont grandes ouvertes: "Comme nous n'avons pas encore de théorie qui unifie de manière fiable la relativité générale avec la mécanique quantique, nous ne connaissons pas la totalité du zoo de structures spatio-temporelles possibles trous de ver. "

Il y a encore un accroc. Thorne a découvert dans son travail de 1987 que tout type de trou de ver compatible avec la relativité générale s'effondrerait à moins d'être maintenu ouvert par ce qu'il appelle "une matière exotique" à énergie négative. Il fait valoir que nous avons des preuves de matière exotique grâce à des expériences montrant que les fluctuations quantiques dans le vide semblent créer une pression négative entre deux miroirs très proches l'un de l'autre. Et Loeb pense que nos observations de l’énergie noire sont un indice supplémentaire de l’existence possible de matières exotiques.

"Nous observons qu'au cours de l'histoire cosmique récente, les galaxies nous ont fui à une vitesse qui augmente avec le temps, comme si elles étaient attaquées par une gravité répulsive", explique Loeb. "Cette expansion accélérée de l'univers peut s'expliquer si celui-ci est rempli d'une substance soumise à une pression négative… tout comme le matériel nécessaire pour créer un trou de ver." Les deux physiciens s'accordent toutefois pour dire qu'il faudrait trop de matière exotique pour qu'un trou de ver se forme naturellement, et que seule une civilisation très avancée pourrait espérer rassembler suffisamment d'éléments pour stabiliser un trou de ver.

Mais les autres physiciens ne sont pas convaincus. "Je pense qu'un trou de ver stable et traversable serait très déroutant et semblerait incompatible avec les lois de la physique que nous connaissons", déclare Maldacena. Sabine Hossenfelder de l'Institut nordique de physique théorique de Suède est encore plus sceptique: "Nous n'avons absolument aucune indication que cela existe. En effet, il est largement admis que cela ne peut pas exister, car le vide serait instable". Même si de la matière exotique était disponible, la parcourir peut ne pas être jolie. Les effets exacts dépendraient de la courbure de l'espace-temps autour du trou de ver et de la densité de l'énergie à l'intérieur, dit-elle. "C'est à peu près comme avec les trous noirs: trop de forces de marée et vous êtes déchiré."

En dépit de ses liens avec le film, Thorne est également pessimiste sur le fait qu'un trou de ver traversable est même possible, encore moins survivant. "S'ils peuvent exister, je doute fort qu'ils puissent se former naturellement dans l'univers astrophysique", écrit-il dans le livre. Mais Thorne apprécie le fait que Christopher et Jonah Nolan, qui ont écrit Interstellar, aient été si désireux de raconter une histoire fondée sur la science.

«L’histoire est désormais essentiellement celle de Chris et de Jonah», a déclaré Thorne à Wired dans une interview exclusive. «Mais l’esprit, l’objectif d’avoir un film dans lequel la science est ancrée dans la structure depuis le début - et c’est une science formidable - a été préservé.»