Trouverons-nous des trous de ver cosmiques comme le prédit Doraemon ?

Doraemon, l’icône de la pop otaku, voyage dans le temps, sans transpirer, du 22e siècle à nos jours pour s’occuper de Nobita. Votre machine à voyager dans le temps, porte magiquelaisse place à des trous de ver cosmiques, des raccourcis dans l’univers.

Doraemon n’est pas le seul à avoir trouvé l’accès. Roy Batty, le réplicant Coureur de lamevoir la porte Tannhäuser, celui qui sépare le monde du bien et du mal. Et nous pourrions continuer à énumérer des exemples à l’infini.

La fiction à base scientifique fait résonner dans nos têtes ces folles architectures spatio-temporelles connues sous le nom de trous de ver. Mais sont-ils vraiment si fous ?

Le roman Contact, de Carl Sagan, a inspiré des avancées notables dans la physique de la gravitation. Et l’idée est que, scientifiquement, ce n’était pas si farfelu, car les trous de ver s’intègrent parfaitement dans la relativité d’Einstein. De cette façon Kip Thorne, physicien théoricien américain, lauréat du prix Nobel de physique 2017 et le Cerveau de scientifique de cinéma Interstellaireil a convaincu un de ses élèves, Charles W. Misner, pour effectuer des calculs qui devraient être relativement simples. Et sur papier, ils ont trouvé des exemples sympas de trous de ver.

Raccourcis dans le cosmos

Voudriez-vous voyager à Can Mayor, le galaxie la plus proche? Cela ne semble pas être une bonne idée sachant qu’il nous faudrait plus de 25 000 ans pour y parvenir. À moins que… nous prenions un raccourci vers un trou de ver !

Trouverons-nous un jour une de ces raretés ? Allons-nous découvrir un trou de ver dans le futur ?

Après tout, il n’y a pas si longtemps, nous nous posions la même question à propos des trous noirs. Et des trous noirs ont été découverts par centaines, ils ont même été photographiés.

Un trou de ver, en gros, est le résultat de la jonction de deux entonnoirs dans leur zone la plus étroite avec une sorte de « colle indélébile ». La gorge des deux entonnoirs est maintenue ouverte par une version de matière non conventionnelle. Ce matériau serait précisément la colle.

Comme les signaux de la DGT, la Relativité Générale ne fait pas tout

La Relativité Générale d’Einstein est une théorie très puissante, mais elle n’est pas omnipotente. Autrement dit, cela n’explique pas absolument tout. Et il en va de même avec les théories proposées pour le généraliser. D’une manière générale, ils nous disent seulement quelle est la géométrie du trou de ver, et rien d’autre.

On pourrait dire que, d’une certaine manière, la Relativité Générale est comme le code de la route. Imaginons que nous rencontrions ce panneau de code alors que nous roulions sur une autoroute entre des montagnes. Il existe deux options pour savoir où nous arriverons en le traversant. La première est évidemment de la traverser. La seconde est de savoir s’il existe un itinéraire alternatif le long d’une longue et ennuyeuse route nationale qui monte jusqu’au port. La Relativité Générale nous avertit seulement de l’existence du tunnel. Mais cela ne nous donne pas d’informations préalables.

Le tunnel nous mènera-t-il à un autre point de notre univers ? Ou au contraire, apparaîtrons-nous par surprise dans un autre univers connecté au nôtre ?

Cette incertitude sur la destination de notre voyage est due au fait que la Relativité Générale ne parle pas de la topologie de l’univers. Savoir que nous avons un tunnel relève de la géométrie, et la théorie d’Einstein y est bien traitée. En revanche, pour savoir où nous mène le trou, il faut recourir à la topologie.

Autrement dit, pour étudier les trous de ver, vous devez assaisonner un peu la théorie de la relativité avec un peu de sauce mathématique supplémentaire.

Quelle est la probabilité qu’il y ait des trous de ver ?

Les trous de ver sont extrêmement exigeants dans leurs exigences. Ils ont besoin que nous cassions nos idées reçues pour leur faire de la place. Ces structures ont pour habitude de vouloir se fermer la gorge. Toute petite perturbation fait tomber la structure. C’est précisément ce qui se passe avec l’un des premiers modèles de trous de ver, celui dessiné par Albert Einstein avec son collègue Nathan Rosen.

Matière de masse négative

Une possibilité de contrecarrer cette instabilité et de rendre le trou de ver robuste consiste à ce que la matière au sein de cet univers présente des propriétés exotiques. Par exemple, le type qui, aux yeux d’un neutrino (rapide) traversant le trou de ver, serait matière de masse négative. Mais c’est quelque chose qui nous est inconcevable. Si nous tenions une pomme de masse négative et que nous la lâchions, nous ne la verrions pas tomber. Je me lèverais au lieu de tomber ! Évidemment, une telle chose n’a jamais été observée. C’est pourquoi il est difficile d’accepter une structure dans l’univers qui nécessite quelque chose d’aussi étrange pour exister.

Twist dans l’univers

Une autre possibilité est de quitter la théorie d’Einstein et de permettre existence de torsion dans le Cosmos. Pour comprendre ce qui se passe dans un univers avec cette propriété, nous pouvons l’imaginer comme s’il s’agissait d’une ceinture, donc il n’aurait que deux dimensions. Si on le noue mal autour de la taille pour voir le devant et le dos, alors c’est un univers de torsion. Et si une fourmi marchait sur la ceinture, elle ne pourrait pas nous avertir que nous l’avions mal attachée. Ce n’est que si vous le regardez de l’extérieur que vous avez accès à la troisième dimension spatiale et que vous voyez que la ceinture (ou l’univers) tourne.

S’il y avait cette torsion dans l’univers, les trous de ver pourraient communiquer différents espaces-temps, différentes dimensions, d’un côté et de l’autre de la torsion.

Permettre à l’univers de prendre de telles libertés dans ses propriétés mathématiques est très audacieux. Mais cela n’arrête pas les physiciens.

L’option pour que les particules gravitationnelles mutantes existent

Les théories gravitationnelles, et pas seulement celles d’Einstein, sont souvent interprétées comme une manifestation géométrique de particules encore inconnues : des gravitons hypothétiques. De ce point de vue, il est exploré avec intérêt une nouvelle possibilité, encore une fois, sur papier. Dans ces propositions, les lois qui régissent la conservation de la matière ne sont pas les lois habituelles. Concrètement, les gravitons se comporteraient comme tels dans certaines zones de l’espace-temps mais dans d’autres ils deviendraient des particules plus conventionnelles. Autrement dit, ils muteraient. C’est toujours une folie délicieuse. Et si ça peut conduire à des trous de verpourquoi ne pas nous divertir en les enquêtant ?

Les défis posés par ces structures ne s’arrêtent pas là. L’étude des trous de ver est un exercice intellectuel qui nécessite un esprit ouvert dans de nombreuses directions. Le défi n’est pas seulement d’ouvrir l’esprit, mais aussi la gorge du trou de ver. Mais le défi n’est pas sans rappeler celui qui a permis aux trous noirs de cesser d’être de la spéculation après des décennies de conjectures.

Si nous, physiciens, continuons à explorer ce défi, c’est en partie grâce à la motivation qui vient de science-(pas si)-fiction.

Bon voyage, Doraemon !