Une singularite gravitationnelle est un point ou une region de l’espace-temps ou les equations de la relativite generale cessent de fonctionner : la densite, la courbure et d’autres grandeurs physiques y deviennent mathematiquement infinies. On en rencontre principalement deux dans la cosmologie moderne : au coeur des trous noirs et a l’origine du Big Bang.
La singularite des trous noirs
Selon la relativite generale, au centre de tout trou noir se trouve une singularite : un point ou toute la masse effondrce est comprimee dans un volume nul, produisant une densite infinie. La courbure de l’espace-temps y est si extreme que les lois physiques telles que nous les connaissons cessent de s’appliquer. Cette singularite est cachee derriere l’horizon des evenements — la limite de non-retour — et est donc inaccessible a toute observation directe.
La singularite initiale
Le modele du Big Bang implique une singularite initiale : en remontant dans le temps, l’univers se comprime jusqu’a un etat de densite et de temperature infinies. Cela ne signifie pas que l’univers est ne d’un point materiel, mais que nos equations cessent d’etre valides avant un certain seuil temporel — le temps de Planck, soit environ 10 puissance -43 secondes apres le Big Bang. Ce qui s’est passe avant reste inaccessible a la physique actuelle.
Un probleme pour la physique
Les singularites sont considerees par la plupart des physiciens comme le signe que notre theorie est incomplete. La relativite generale et la mecanique quantique, les deux piliers de la physique moderne, sont incompatibles dans les conditions extremes d’une singularite. Une theorie de la gravite quantique — encore en construction — devrait permettre de decrire ces regions sans recourir aux infinis.
Le saviez-vous ?
Le theoreme de singularite de Penrose (1965) et celui de Hawking (1970) ont demontre mathematiquement que les singularites sont inevitables dans les solutions de la relativite generale sous certaines conditions. Ces travaux ont valu a Roger Penrose le prix Nobel de physique en 2020.
Questions frequentes
Une singularite est-elle reellement physique ?
Pas necessairement. La plupart des physiciens pensent que les singularites sont des artefacts mathematiques qui signalent les limites de notre theorie. Une future theorie de gravite quantique devrait les remplacer par des descriptions finies.
Peut-on observer une singularite ?
Non. La singularite des trous noirs est cachee par l’horizon des evenements, et la singularite initiale du Big Bang est inaccessible car elle precede l’emission du fond diffus cosmologique. Le principe de censure cosmique d’Hawking postule que toute singularite est toujours cachee derriere un horizon.
Quelle est la difference entre singularite et trou noir ?
Un trou noir est une region de l’espace-temps definie par son horizon des evenements. La singularite est le point central de densite infinie a l’interieur du trou noir. Le trou noir est l’objet astrophysique ; la singularite est l’anomalie mathematique en son coeur.