Un trou noir peut-il se former à partir de la lumière ?

La lumière gravite, même si elle n’a pas de masse, car elle possède une densité d’énergie, qui est la source de la gravitation. John A. Wheeler (1955) a émis l’hypothèse qu’il pourrait y avoir des « étoiles de lumière », qu’il a appelées « étoiles de lumière ». géones. Malheureusement, ils sont instables sous de petites perturbations et s’effondrent en un trou noir, surnommé Kugelblitz. Cet hypothétique trou noir formé par l’effondrement gravitationnel du rayonnement électromagnétique est décrit par une solution exacte des équations d’Einstein-Maxwell pour le vide. Il n’y a qu’un seul problème, lors de l’effondrement les champs électromagnétiques sont si intenses que des paires électron-positon sont produites par l’effet Schwinger et par le processus de Breit-Wheeler. Il est publié dans Lettres d’examen physique Un calcul de ces effets quantiques produit une dissipation d’énergie qui empêche la formation d’un Kugelblitz d’un rayon compris entre 10⁻²⁹ m et 10⁸ m, c’est-à-dire d’une masse comprise entre 0,67 gramme et 33,8 masses solaires. Le calcul utilise certaines simplifications, comme le fait que le Kugelblitz il a une symétrie sphérique ; Selon les auteurs, un futur calcul plus général permettra de démontrer qu’il est impossible de former un Kugelblitz de n’importe quelle masse. Ils concluent donc qu’il n’est pas possible de créer un trou noir à partir de la lumière.

Comme vous l’avez peut-être déjà remarqué, mon titre suit la loi des titres de Betteridge. Le calcul considère un Kugelblitz avec une symétrie sphérique dans un espace-temps de Minkowski. L’intensité maximale du champ électrique lors d’un effondrement gravitationnel est estimée, ce qui s’avère énorme (inconcevable dans n’importe quel contexte astrophysique) ; Un champ de 10²⁷ V/m est estimé, quand les magnétars les plus intenses atteignent 10¹⁹ V/m et en laboratoire nous avons atteint 10¹⁵ V/m. En intensité, pour un trou noir d’un rayon de 1 mètre, on obtient 10⁸³ W/m² (environ 50 ordres de grandeur supérieurs à ce qui peut être obtenu avec un laser en laboratoire, environ 10²⁷ W/m². Avec des intensités aussi énormes, l’effet Schwinger est impossible à éviter ; son effet est approché comme une dissipation d’énergie, en particulier, pour une sphère qui émet des impulsions de rayonnement lumineux en forme de sech²(τ), la limite d’effondrement se dissipe plus rapidement que l’effondrement ne se produit, ce qui fait que l’effet Schwinger est impossible à éviter ; il est impossible qu’un trou noir finisse par se former (Kugelblitz). Bien entendu, le calcul est très simplifié ; mais c’est peut-être là son grand avantage, puisqu’il est très simple à comprendre et très raisonnable (si vous êtes physicien je vous recommande de le consulter).

Le roi des calculs de serviettes, le célèbre Abraham Loeb (Université de Harvard), n’a pas pu résister. Il a critiqué le calcul publié car il utilise un espace-temps de Minkowski ; Selon lui, si l’on prend en compte les effets de la courbure de l’espace-temps sur la répartition de la lumière, l’effondrement ne pourra jamais être évité. Selon lui (puisqu’il ne propose aucun calcul de serviette), les trous noirs primordiaux, même avec une masse stellaire, peuvent se former à partir de la lumière (champs électromagnétiques dans les premiers instants de l’univers après l’inflation cosmique). Bien entendu, les auteurs ont répondu en déclarant que ses critiques étaient inappropriées. Les effets possibles de la courbure de l’espace-temps sur la distribution de la lumière lors de l’effondrement sont négligeables par rapport aux effets dissipatifs dus à l’effet Schwinger. L’effondrement s’arrête bien avant d’atteindre le moment où la courbure peut dominer la dissipation. Les trous noirs primordiaux ne peuvent pas se former à la suite d’un effondrement des radiations. Pour convaincre Loeb, ils présentent un petit calcul de serviette qui étaye leur réponse.

Pour ceux d’entre nous qui travaillent en physique computationnelle, ce qu’il faut, c’est une simulation de l’effondrement gravitationnel d’un géon électromagnétique. Je pense que personne n’oserait perdre du temps à le faire. Mais qui sait, il y a des goûts pour tout. Si vous êtes physicien, je vous recommande de profiter de l’article d’Álvaro Álvarez-Domínguez, Luis J. Garay, …, José Polo-Gómez, “Pas de trous noirs de la lumière”, Physical Reviewew Lett. 133 : 041401 (26 juillet 2024), est ce que je : https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.041401, arXiv:2405.02389 [gr-qc] (03 mai 2024) ; un niveau de divulgation recommandant Philip Ball, « Les trous noirs ne peuvent pas être créés par la lumière », APS Physics 17 : 119 (26 juillet 2024) [https://physics.aps.org/articles/v17/119]et ça fil dans 𝕏 de Gaston Giribet. Je cite également Abraham Loeb, « Commentaire sur « No Black Holes from Light » [arXiv:2405.02389],» arXiv:2408.06714 [gr-qc] (13 août 2024), et Álvaro Álvarez-Domínguez, Luis J. Garay, …, José Polo-Gómez, « Répondre au commentaire sur « Pas de trous noirs de la lumière » [arXiv:2408.06714],» arXiv:2408.11097 [gr-qc] (20 août 2024).

À propos, l’image qui ouvre cette pièce est une reconstitution artistique de l’effondrement d’un géon Wheeler selon ChatGPT gratuit (GPT-40). J’ai trouvé cela plus attrayant que d’utiliser certaines formules mathématiques de l’article de PRL.