Singularité gravitationnelle
Une singularité gravitationnelle est un point ou une région de l’espace-temps où les équations de la relativité générale cessent de fonctionner : la densité, la courbure et d’autres grandeurs physiques y deviennent mathématiquement infinies. On en rencontre principalement deux dans la cosmologie moderne : au cœur des trous noirs et à l’origine du Big Bang.
La singularité des trous noirs
Selon la relativité générale, au centre de tout trou noir se trouve une singularité : un point où toute la masse effondrée est comprimée dans un volume nul, produisant une densité infinie. La courbure de l’espace-temps y est si extrême que les lois physiques telles que nous les connaissons cessent de s’appliquer. Cette singularité est cachée derrière l’horizon des événements — la limite de non-retour — et est donc inaccessible à toute observation directe.
La singularité initiale
Le modèle du Big Bang implique une singularité initiale : en remontant dans le temps, l’univers se comprime jusqu’à un état de densité et de température infinies. Cela ne signifie pas que l’univers est né d’un point matériel, mais que nos équations cessent d’être valides avant un certain seuil temporel — le temps de Planck, soit environ 10 puissance -43 secondes après le Big Bang. Ce qui s’est passé avant reste inaccessible à la physique actuelle.
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 singularité de Penrose (1965) et celui de Hawking (1970) ont démontré mathématiquement que les singularités sont inévitables dans les solutions de la relativité générale sous certaines conditions. Ces travaux ont valu à Roger Penrose le prix Nobel de physique en 2020.
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 ?
Non. La singularité des trous noirs est cachée par l’horizon des événements, et la singularité initiale du Big Bang est inaccessible car elle précède l’émission du fond diffus cosmologique. Le principe de censure cosmique d’Hawking postule que toute singularité est toujours cachée derrière un horizon.
Quelle est la différence entre singularité et trou noir ?
Un trou noir est une région de l’espace-temps définie par son horizon des événements. La singularité est le point central de densité infinie à l’intérieur du trou noir. Le trou noir est l’objet astrophysique ; la singularité est l’anomalie mathématique en son cœur.