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Theoretical study shows that Kerr black holes could amplify new physicsµµ

Une étude théorique montre que les trous noirs de Kerr pourraient amplifier une nouvelle physique

par Ingrid Fadelli, Phys.org

Un trou noir en rotation rapide. Crédit : Agence spatiale européenne, 2013.

Les trous noirs sont des régions de l’espace caractérisées par une gravité extrêmement forte, qui empêche toute matière et ondes électromagnétiques de s’en échapper. Ces corps cosmiques fascinants ont fait l’objet d’innombrables études, mais leurs nuances physiques complexes restent encore à découvrir.

Des chercheurs de l’Université de Californie à Santa Barbara, de l’Université de Varsovie et de l’Université de Cambridge ont récemment mené une étude théorique axée sur une classe de trous noirs connus sous le nom de trous noirs extrêmes de Kerr, qui sont des trous noirs stationnaires non chargés avec un horizon intérieur et extérieur coïncidant. Leur article, publié dans Physical Review Letters, montre que les caractéristiques uniques de ces trous noirs pourraient en faire des « amplificateurs » idéaux d’une physique nouvelle et inconnue.

"Cette recherche trouve son origine dans un projet antérieur lancé lors de ma visite à l'UC Santa Barbara", a déclaré Maciej Kolanowski, l'un des chercheurs qui ont mené l'étude, à Phys.org. "J'ai commencé à discuter des trous noirs très froids (appelés extrémaux) avec Gary Horowitz (UCSB) et Jorge Santos (à Cambridge). Bientôt, nous avons réalisé qu'en fait, les trous noirs extrémaux génériques sont très différents de ce qu'on croyait auparavant."

Dans leur article précédent, Kolanowski, Horowitz et Santoscommentent en présence d'une constante cosmologique, les trous noirs extrêmes sont affectés par des forces de marée infinies. Cela signifie que si des êtres vivants tombaient dans le trou noir, ils seraient écrasés par la gravité avant de s'approcher, même de loin, du centre du trou noir. Pourtant, l’équipe a montré que si la constante cosmologique est nulle, comme c’est le cas dans de nombreux scénarios astrophysiques, cet effet disparaît.

"L'étincelle de l'article actuel est née lors du Gravity Lunch hebdomadaire de l'UC Santa Barbara", a expliqué Grant Remmen. "En discutant avec Horowitz après une conférence sur ses travaux sur les singularités de l'horizon des trous noirs, j'ai demandé si d'autres effets pourraient donner lieu à de tels phénomènes. Mes travaux antérieurs sur les théories effectives des champs (EFT), en particulier le développement de modèles physiques avec corrections quantiques, m'ont donné En discutant avec Horowitz, je me suis demandé si les termes dérivés supérieurs d'une EFT gravitationnelle (c'est-à-dire les corrections quantiques des équations d'Einstein) pourraient eux-mêmes conduire à des singularités à l'horizon des trous noirs extrêmes.

Après que Remmen ait partagé son idée avec Horowitz, ils ont entamé une collaboration avec Kolanowski et Santos, visant à tester cette idée via une série de calculs. Dans leurs calculs, les chercheurs ont considéré la gravité d’Einstein couplée à ses principales corrections quantiques.

"Les équations d'Einstein sont linéaires dans le tenseur de Riemann, un objet mathématique décrivant la courbure de l'espace-temps", a expliqué Remmen. "Dans les trois dimensions de l'espace, les principales corrections d'Einstein sont des termes cubiques (troisième puissance) et quartiques (quatrième puissance) dans la courbure. Parce que la courbure est une mesure des dérivées de la géométrie de l'espace-temps, ces termes sont appelés « dérivée supérieure ». termes.' Nous avons calculé l’effet de ces termes dérivés supérieurs sur les trous noirs en rotation rapide. »

Les trous noirs extrêmes tournent à une vitesse maximale possible correspondant au déplacement de l'horizon à la vitesse de la lumière. Les calculs des chercheurs ont montré que les corrections EFT de dérivée supérieure des trous noirs extrêmes rendent leurs horizons singuliers, avec des forces de marée infinies. Cela contraste fortement avec les trous noirs typiques, qui ont des forces de marée finies qui ne deviennent infinies qu'au centre du trou noir.

"Étonnamment, les corrections EFT font sauter la singularité du centre du trou noir jusqu'à l'horizon, là où on ne s'attendrait pas à ce qu'elle se trouve", a déclaré Remmen. "La valeur du coefficient devant un terme EFT donné - les "réglages du cadran" dans les lois de la physique - est dictée par les couplages et les types de particules présentes à hautes énergies et sur de courtes distances. En ce sens, les coefficients EFT sont sensibles à la nouvelle physique.

Kolanowski, Horowitz, Remmen et Santos ont également découvert que la force de la divergence des marées à l'horizon des trous noirs extrêmes et l'apparition possible d'une singularité de marée dépendent fortement des coefficients EFT. Les résultats de leurs calculs suggèrent ainsi que la géométrie espace-temps proche de l’horizon de ces trous noirs est sensible à la nouvelle physique aux énergies plus élevées.

"Il est intéressant de noter que cette singularité inattendue est présente pour les valeurs de ces coefficients EFT générés par le modèle standard de la physique des particules", a déclaré Remmen.

"Nos résultats sont surprenants, car ils impliquent que la description de la physique à basse énergie peut s'effondrer dans une situation où on ne s'attendrait pas à ce que cela se produise. En physique, il existe généralement un sentiment de "découplage" entre les différentes échelles de distance. Par exemple, vous n'avez pas besoin de connaître les détails des molécules d'eau pour décrire les ondes en utilisant l'hydrodynamique. Pourtant, pour les trous noirs en rotation rapide, c'est précisément ce qui se produit : l'EFT à faible énergie se brise à l'horizon.

Globalement, les calculs effectués par cette équipe de chercheurs laissent entrevoir la promesse des trous noirs extrêmes de Kerr pour sonder de nouveaux phénomènes physiques. Bien que l’horizon de ces trous noirs puisse être très large, il n’était pas prévu qu’il ait une courbure infiniment grande (c’est-à-dire des forces de marée infinies) dans l’EFT. Leurs résultats montrent que c’est le cas.

"Dans les travaux futurs, nous souhaitons explorer si les singularités peuvent être résolues par la physique ultraviolette", a ajouté Remmen. "Une question urgente est de savoir si la sensibilité de l'horizon à la nouvelle physique persiste jusqu'à l'échelle de Planck, ou si l'horizon se "lisse" à l'échelle de courte distance associée à l'EFT. Nous recherchons également d'autres situations dans quels effets à courte distance pourraient apparaître de manière inattendue sur de grandes distances.

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COMMRNTAIORES

Avant toute explication  aucune détection expérimentale trou noir de  KERR  n existe  ; l aarticle  n est donc qu un exercice mathématique  de modélisation  !!!!

Mais il a le meérite de poser des questions ; 1- Que sait on au juste sur la  constante cosmologique   de l univers   ?

La constante cosmologique est un paramètre ajouté par Einstein en février 1917N 1 à ses équations de la relativité générale (1915).

Quelle est la valeur de la constante cosmologique ?

représente la force de Planck. La constante gravitationnelle étant de dimension M −1·L 3·T −2 et la densité d'énergie M·L −1·T −2, on voit que la constante cosmologique est de dimension L −2. = 2,846 × 10−122.

Que cache la constante cosmologique ?

Einstein a introduit dans ses équations une constante dite cosmologique pour construire un univers qu'il supposait être statique. On invoque aujourd'hui cette constante pour expliquer l'expansion accélérée de l'Univers, mais sa véritable nature reste une énigme.

Un temps abandonnée la constante cosmologique a été récemment remise au goût du jour après la découverte de l'accélération de l'expansion de l'Univers. Elle décrirait une force, encore hypothétique, qui accélérerait l'expansion de l'Univers, appelée énergie noire 

La quintessence est un concept en physique, qui permet de décrire des composantes de l'Univers. En cosmologie, la quintessence est le nom donné à une forme hypothétique d'énergie sombre, proposée comme explication aux observations de l'accélération de l'expansion de l'Univers.

 -2: A  t on le doit   de se permettre   de présenter des valeurs infinies   en physique   énergétiqueb ou en physique des champs ???

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More information: Gary T. Horowitz et al, Extremal Kerr Black Holes as Amplifiers of New Physics, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.091402

Journal information: Physical Review Letters 

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