Une étoile comme une poupée Matriochka : nouvelle théorie pour les gravastars

L’intérieur des trous noirs reste une énigme pour la science. En 1916, le physicien allemand Karl Schwarzschild a proposé une solution aux équations de la relativité générale d'Albert Einstein, selon laquelle le centre d'un trou noir est constitué d'une singularité, un point où l'espace et le temps n'existent plus. Ici, dit la théorie, toutes les lois physiques, y compris la théorie de la relativité générale d'Einstein, ne s'appliquent plus ; le principe de causalité est suspendu. Cela constitue une grande nuisance pour la science : après tout, cela signifie qu’aucune information ne peut s’échapper d’un trou noir au-delà de ce qu’on appelle l’horizon des événements.

Cela pourrait être une raison pour laquelle la solution de Schwarzschild n'a pas attiré beaucoup d'attention en dehors du domaine théorique pendant longtemps – c'est-à-dire jusqu'à ce que le premier candidat pour un trou noir soit découvert en 1971, suivi par la découverte du trou noir au centre. de notre Voie Lactée dans les années 2000, et enfin la première image d'un trou noir, capturée par la collaboration Event Horizon Telescope en 2019.

En 2001, Pawel Mazur et Emil Mottola ont proposé une solution différente aux équations de champ d'Einstein qui ont conduit à des objets qu'ils ont appelés étoiles gravitationnelles à condensat, ou gravistars. Contrairement aux trous noirs, les gravistars présentent plusieurs avantages d’un point de vue astrophysique théorique. D’une part, ils sont presque aussi compacts que les trous noirs et présentent également une gravité à leur surface qui est essentiellement aussi forte que celle d’un trou noir, ressemblant ainsi à un trou noir à toutes fins pratiques. En revanche, les gravistars n'ont pas d'horizon des événements, c'est-à-dire une frontière à l'intérieur de laquelle aucune information ne peut être envoyée, et leur noyau ne contient pas de singularité. Au lieu de cela, le centre des gravistars est constitué d’une énergie exotique – sombre – qui exerce une pression négative sur l’énorme force gravitationnelle qui comprime l’étoile. La surface des gravistars est représentée par une peau très fine de matière ordinaire, dont l'épaisseur est proche de zéro.

Les physiciens théoriciens Daniel Jampolski et le professeur Luciano Rezzolla de l'Université Goethe de Francfort ont présenté une solution aux équations de champ de la relativité générale qui décrit l'existence d'une gravastar à l'intérieur d'une autre gravastar. Ils ont donné à cet hypothétique objet céleste le nom de « nestar » (de l'anglais « nested »).

Daniel Jampolski, qui a découvert la solution dans le cadre de sa thèse de licence dirigée par Luciano Rezzolla, déclare : « Le nestar est comme une poupée matriochka », ajoutant que « notre solution aux équations de champ permet d'obtenir toute une série de gravastars emboîtés ». Alors que Mazur et Mottola postulent que le gravastar a une peau fine presque infinie constituée de matière normale, la coquille composée de matière du nestar est un peu plus épaisse : « Il est un peu plus facile d'imaginer que quelque chose comme ça puisse exister. »

Luciano Rezzolla, professeur d'astrophysique théorique à l'Université Goethe, explique : « C'est formidable que même 100 ans après que Schwarzschild ait présenté sa première solution aux équations de champ d'Einstein à partir de la théorie de la relativité générale, il soit encore possible de trouver de nouvelles solutions. C'est un peu comme trouver une pièce d'or sur un chemin qui a été exploré par beaucoup d'autres auparavant. Malheureusement, nous n'avons toujours aucune idée de comment un tel gravastar pourrait être créé. Mais même si les nestars n'existent pas, explorer les propriétés mathématiques de ces solutions nous aide finalement à mieux comprendre les trous noirs.