Singularité gravitationnelle

Une singularité gravitationnelle désigne une limite pathologique de l’espace-temps dans les modèles de relativité générale. Certaines trajectoires de particules ou de lumière ne peuvent plus y être prolongées : on parle d’incomplétude géodésique. Des grandeurs comme la courbure peuvent diverger, sans qu’une infinité physique ait été observée.

La singularité des trous noirs

Le modèle classique d’un trou noir sans rotation présente une singularité centrale. D’autres solutions, notamment avec rotation, ont une structure différente. Ces résultats indiquent les limites de la description classique des régions internes ; ils ne constituent pas une observation directe d’un point de densité infinie.

La singularité initiale

En extrapolant vers le passé les modèles cosmologiques classiques usuels, on rencontre une singularité initiale. Cette extrapolation ne démontre ni une naissance depuis un point matériel, ni ce qui s’est produit aux énergies où la gravité quantique devient nécessaire. L’échelle de Planck est un repère théorique, pas une frontière temporelle directement mesurée.

Un problème pour la physique

Les singularités sont considérées par la plupart des physiciens comme le signe que notre théorie est incomplète. La relativité générale et la mécanique quantique, les deux piliers de la physique moderne, sont incompatibles dans les conditions extrêmes d’une singularité. Une théorie de la gravité quantique, encore en construction, devrait permettre de décrire ces régions sans recourir aux infinis.

Le saviez-vous ?

Le théorème de Penrose de 1965, puis les travaux de Hawking et Penrose, établissent sous certaines hypothèses l’apparition d’une incomplétude géodésique. Ils ne décrivent pas la physique à l’intérieur de la singularité. Roger Penrose a reçu une part du prix Nobel de physique 2020 pour ses travaux sur la formation des trous noirs.

Questions fréquentes

Une singularité est-elle réellement physique ?

Pas nécessairement. La plupart des physiciens pensent que les singularités sont des artefacts mathématiques qui signalent les limites de notre théorie. Une future théorie de gravité quantique devrait les remplacer par des descriptions finies.

Peut-on observer une singularité ?

Aucune singularité n’a été observée directement. La conjecture de censure cosmique, associée à Penrose, propose dans sa forme faible que les singularités produites par un effondrement raisonnable soient cachées aux observateurs lointains. Elle n’est pas démontrée en toute généralité et ne s’applique pas ainsi à la singularité cosmologique initiale.

Quelle est la différence entre singularité et trou noir ?

Un trou noir est une région dont les signaux ne peuvent atteindre l’extérieur lointain ; son horizon marque cette frontière. La singularité est une limite interne de certaines descriptions classiques de cet espace-temps. Ce sont deux notions différentes, et non deux surfaces matérielles.