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définition - Trou de ver

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Trou de ver

                   
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  Un exemple de trou de ver dans une métrique de Schwarzschild tel qu'il serait vu par un observateur ayant franchi l'horizon du trou noir. La région d'où vient l'observateur est située à droite de l'image. Mise à part la région située proche de l'ombre du trou noir, les effets de décalage vers le rouge gravitationnel rendent le fond du ciel très sombre. Celui-ci est en revanche très lumineux dans la seconde région visible une fois l'horizon passé. Cette région ne sera cependant pas atteignable quelle que soit la trajectoire de l'observateur car celui-ci est condamné à finir sur la singularité gravitationnelle en un temps relativement bref.

En Physique, un trou de ver est un objet hypothétique issu des propriétés de l'espace-temps. Il formerait un raccourcis à travers l'espace-temps. Pour se le représenter plus simplement, essayez de vous représenter l'espace-temps non pas en 3 dimensions mais en 2, à la manière d'un tapis, ou encore d'une feuille de papier. La surface de cette feuille serait pliée sur elle même dans un espace à 3 dimensions. Alors qu'en parcourant la distance séparant deux points de cette feuille, de manière linéaire, à la surface de la feuille, le temps pour se rendre du point A au point C serait représenté par A - B - C (B étant un point fictif à la surface de la feuille entre les deux points de départ) le temps passé pour le voyage serait d'une certaine importance. L'utilisation du raccourcis "trou de ver" permettrait un voyage du point A directement au point C en un temps conséquemment réduit. Visuellement, il faut s'imaginer voyager non pas à la surface de la feuille de papier, mais à travers le trou de ver; la feuille étant repliée sur elle-même permet au point A de toucher directement le point C, la rencontre des deux point, serait le trou de ver.

L'utilisation d'un trou de ver permettrait ; le voyage d'un point de l'espace à un autre (déplacement dans l'espace). Le voyage d'un point à l'autre du temps (déplacement dans le temps). Le voyage d'un point de l'espace-temps à un autre (déplacement à travers l'espace et en même temps à travers le temps).

Les trous de ver sont des concepts purement théoriques : l'existence ou la formation physique de tels objets dans l'Univers sont restées non vérifiées.

Il ne faut pas confondre trous de ver et trous noirs. Tout d'abord, l'un est hypothétique tandis que l'autre existe réellement. Un trou noir, lui est un endroit situé dans l'espace où la gravité est si importante que même la lumière ne peut s'en échapper. La gravité est si intense, car la matière s'est effondrée sur elle même sur une toute petite portion de l'espace. Cela peut arriver lors de la mort d'une étoile. C'est parce-que la lumière ne s'en échappe pas que nous ne pouvons les observer, car totalement noirs, ils sont alors invisibles.

Sommaire

  Présentation générale

  Simulation d'un trou de ver permanent

À l'heure actuelle, il existe différents types de trous de ver. Tous sont des solutions mathématiques plutôt que des objets réalistes :

  • le trou de ver de Schwarzschild, infranchissable ;
  • le trou de ver de Reissner-Nordstrøm ou Kerr-Newman, franchissable mais dans un seul sens, pouvant contenir un trou de ver de Schwarzschild ;
  • le trou de ver de Lorentz à masse négative, franchissable dans les deux sens.

Il existe des trous de ver à symétrie sphérique, tels ceux de Schwarzschild et de Reissner-Nordstøm, qui ne sont pas en rotation, et des trous de ver tels ceux de Kerr-Newmann qui tournent sur eux-mêmes.

Si vous essayez de fabriquer un trou de ver à partir de matière à masse positive, il explosera en éclats. Si une matière à masse négative existe (Matière exotique), on peut en principe élaborer un trou de ver statique en accumulant des masses négatives.

La théorie d'Einstein précise que vous pouvez fabriquer n'importe quel type de géométrie spatio-temporelle, statique ou dynamique. Toutefois, une fois la géométrie définie, ce sont les équations d'Einstein qui vous diront quel devra être le tenseur d'énergie-impulsion de la matière pour obtenir cette géométrie. En général les solutions de trous de ver statiques requièrent une masse négative.

C'est John Wheeler en 1956 qui décrivit les propriétés de connexions des différents points de l'espace et les baptisera « trous de ver », (wormholes). Quelques années plus tard à l’université Harvard, Stephen Hawking et Richard Coleman reprirent le concept de Wheeler et suggérèrent que l'espace-temps pouvait être soumis à l'effet tunnel précité, reprenant l'idée avancée par Hugh Everett. À l'instar des électrons qui peuvent sauter d'un point à l'autre de l'espace, l'Univers ferait de même. L'effet tunnel créerait des ouvertures dans l'espace-temps qui conduiraient à d'autres univers, des univers cul-de-sac ou tout aussi vastes que le nôtre.

Einstein et Rosen proposaient sérieusement que les singularités pouvaient mener à d'autres endroits de l'Univers, d'autres régions de l'espace et du temps. Ces connexions spatio-temporelles sont connues sous le nom de « ponts d'Einstein-Rosen ». Mais ni l'un ni l'autre n'entrevoyaient une possibilité d'entretenir ces connexions en raison du caractère instable des fluctuations quantiques. Comme le disait John L. Friedman de l'université de Californie à Santa Barbara il s'agit d'une censure topologique.

Ces trous de vers dits de Lorentz requièrent de la matière exotique pour rester ouverts car elle demande moins d'énergie que le vide quantique qui subit des fluctuations d'amplitude variables. Il peut s'agir d'énergie négative par exemple, de l'antimatière qui maintiendrait l'ouverture du trou de ver loin de l'horizon. L'ouverture elle-même présente une pression de surface positive afin de la maintenir ouverte durant les transferts et éviter qu'elle ne s'effondre. Seul problème personne ne sait comment stocker autant d'antimatière et suffisamment longtemps au même endroit pour entretenir ce tunnel dans l'espace-temps.

  Vaisseau interstellaire empruntant un trou de ver (Vision d'artiste pour la NASA, 1998)

Pour approfondir les conséquences de la relativité générale, Kip Thorne et Richard Morris du Caltech tentèrent de découvrir par le biais de la physique quantique de nouvelles particules capables d'entretenir les trous de ver de Wheeler. Bientôt l'espace-temps foisonna de « sas de liaisons » que des « voyageurs de Langevin » exploraient au gré de leurs excursions sidérales. La littérature de science-fiction était aux anges mais éloignait peut-être Carl Sagan ou Isaac Asimov de la réalité. Nous entrons là dans un domaine très hypothétique et inaccessible à l’heure actuelle, sauf aux équipes de Deep Space 9, Stargate SG-1 et autres Sliders.


Selon John Wheeler, deux singularités pourraient être reliées par un trou de ver, sorte de sas entre deux régions éloignées de l’univers. Seul inconvénient, nul ne sait comment entretenir un tel passage et lui donner une taille macroscopique. En effet ce « pont » est à l’échelle de Planck : il mesure 10-33 cm et est instable; il se referme sur lui-même en l’espace de 10-43 seconde ! Pire, si on essaye de l’agrandir, il s’autodétruit... Comme aiment le dire les physiciens, le trou de ver appartient à l’« écume quantique » et obéit aux lois probabilistes.

Totalement différent d’une singularité, un trou de ver est « nu », il demeure visible aux yeux de tous et plus extraordinaire encore, il permet de voyager dans le temps en fonction du sens que l’on prend. Ce qui explique son attrait... tout théorique car il faudra encore longtemps aux physiciens pour passer au stade expérimental.

  Dans la fiction

Le concept des trous de ver est très utilisé dans la science-fiction pour autoriser le voyage dans le temps. Dans la série Sliders, un tel passage est appelé par erreur « Pont Einstein-Rosen-Podolski » au lieu de « ponts d’Einstein-Rosen », par confusion avec le paradoxe Einstein-Podolsky-Rosen, qui lui n’a rien à voir avec les trous de ver. Curieusement, le nom est resté chez quelques vulgarisateurs. Podolsky a donc vu son nom associé à un objet particulier de la relativité générale sans avoir travaillé dans ce domaine.

Ou dans le film Contact, on y entend clairement une série de vortex appelée, pont d’Einstein-Rosen.

Dans la série de BD de science-fiction Universal War One, l’auteur, Denis Bajram, place la notion de trou de ver au centre de l’intrigue de son œuvre.

Toute la série Farscape repose sur la découverte et la compréhension des trous de ver (wormholes en VO, vortex en VF), ceux-ci permettant de parcourir de très grandes distances, de voyager dans le temps et dans d’autres dimensions.

Mais c’est surtout dans le film de science-fiction Stargate et les séries de Stargate SG-1, Stargate Atlantis et Stargate Universe, que le concept de trou de ver est le plus utilisé. Dans le film ainsi que dans la série, un engin appelé porte des étoiles relie différentes planètes de l’univers, en créant un trou de ver de Reissner-Nordstrøm (ou de Kerr-Newman) artificiel, cependant un corps entier comme un homme ne survivrait pas au voyage dans le vortex, il est donc "démolécularisé" par la portes de départ et "remolécularisé" par la porte d'arrivée. En temps normal la porte des étoiles ne permet pas de voyager dans le temps, sauf s'il y a un dysfonctionnement (le vortex passe près d'une éruption solaire il est renvoyé vers la porte de départ mais dans une autre époque).

Dans Star Trek : Deep Space Nine, la traduction française utilise vortex pour le terme anglais wormhole mais il s’agit bien d’un trou de ver utilisé pour voyager de et vers le quadrant gamma à 70 000 années-lumières de l'autre côté de la galaxie.

Cette notion est de plus en plus fréquente dans la littérature « Hard SF » (Hard science-fiction) : on peut citer Stephen Baxter (Les vaisseaux du temps, (en) Light of Other Days) ou John Clute (Appleseed) qui offrent une approche romancée de la théorie. Ce concept se retrouve en particulier dans les romans de type Néo Space Opera.

Dans le futur film Interstellar, réalisé par Steven Spielberg, le sujet principal sera la théorie des trous de ver.

Dans le film Donnie Darko, le trou de ver est un élément central. Il est conçu comme permettant un voyage vers le passé.

Dans le film Thor, le Bifröst est comparé à un pont "d'Einstein-Rosen".

Dans la série Fringe, l'un des personnages principaux crée un pont "d'Einstein-Rosen" pour voyager dans un univers alternatif. Cet acte sera cause de plusieurs autres trous de vers intempestifs dans les deux univers.

  Les voyages dans le temps

Article connexe : Voyage dans le temps.


  Notes et références

  Annexes

  Publications

  • Stephen Hawking, Une brève histoire du temps. Du Big Bang aux trous noirs, Flammarion, 2005
  • A.S.Hawking/R.Penrose, La nature de l'espace et du temps, Roger Penrose, Stephen Hawking, Gallimard, 2003
  • Stephen Hawking, Trous noirs et bébés univers et autres essais, Odile Jacob, 2000
  • Kip S. Thorne, Trous noirs et distorsions du temps, trad. Alain Bouquet et Jean Kaplan, Flammarion, 2009. Avec une préface de Stephen Hawking. (ISBN 978-2081224964)
  • M.Begelmen/M.Rees, Gravity’s Fatal Attraction : Black Holes in the Universe, W.H.Freeman, 1996
  • S.Shapiro et S.Teukolsky, Physical Review, 66, 1990, p994.
  • S.Shapiro et S.Teukolsky, Science, 241, 1988, p421
  • R.Morris et K.Thorne, American Journal of Physics, 56,1988, p395
  • K.Thorne et al., Physical Review letter, 61, 1988, p1446
  • A.Einstein et N.Rosen, Physical Review, vol. 48, 1935 
  • H.Everett III, Reviews of Modern Physics, 29, 1957, p454

  Liens externes

   
               

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