La théorie révolutionnaire générale de la relativité d'Albert Einstein décrit la gravité comme une courbure dans le tissu de l'espace-temps. Les mathématiciens de l'Université de Californie à Davis ont trouvé une nouvelle façon de froisser ce tissu tout en réfléchissant aux ondes de choc.
«Nous montrons que l'espace-temps ne peut pas être localement plat à un point où deux ondes de choc entrent en collision», explique Blake Temple, professeur de mathématiques à UC Davis. "Il s'agit d'un nouveau type de singularité en relativité générale."
Temple et ses collaborateurs étudient les mathématiques de la façon dont les ondes de choc dans un fluide parfait affectent la courbure de l'espace-temps. Leurs nouveaux modèles prouvent que des singularités apparaissent aux points de collision des ondes de choc. Les modèles mathématiques de Vogler simulaient la collision de deux ondes de choc. Reintjes a poursuivi avec une analyse des équations qui décrivent ce qui se passe lorsque les ondes de choc se croisent. Il a surnommé la singularité créée une «singularité de régularité».
"Ce qui est surprenant", a déclaré Temple à Space Magazine, "c'est que quelque chose d'aussi banal que l'interaction des vagues pourrait provoquer quelque chose d'aussi extrême qu'une singularité d'espace-temps - bien qu'il s'agisse d'un nouveau type de singularité très doux. Il est également surprenant qu’elles forment dans les équations les plus fondamentales de la théorie de la relativité générale d’Einstein, les équations d’un fluide parfait. »
Les résultats sont rapportés dans deux articles par Temple avec des étudiants diplômés Moritz Reintjes et Zeke Vogler dans la revue Proceedings of the Royal Society A.
Einstein a révolutionné la physique moderne avec sa théorie générale de la relativité publiée en 1916. La théorie en bref décrit l'espace comme un tissu à quatre dimensions qui peut être déformé par l'énergie et le flux d'énergie. La gravité se présente comme une courbure de ce tissu. «La théorie part de l'hypothèse que l'espace-temps (une surface à 4 dimensions, et non à 2 dimensions comme une sphère), est également« localement plat », explique Temple. "Le théorème de Reintjes prouve qu'au point d'interaction des ondes de choc, il [l'espace-temps] est trop" froissé "pour être localement plat."
Nous pensons généralement qu'un trou noir est une singularité. Mais ce n'est qu'une partie de l'explication. À l'intérieur d'un trou noir, la courbure de l'espace-temps devient si raide et extrême qu'aucune énergie, pas même la lumière, ne peut s'échapper. Temple dit qu'une singularité peut être plus subtile où il n'est pas possible de faire en sorte qu'un patch d'espace-temps soit localement plat dans n'importe quel système de coordonnées.
«Localement plat» fait référence à un espace qui semble plat d'un certain point de vue. Notre vision de la Terre depuis la surface en est un bon exemple. La terre semble plate pour un marin au milieu de l'océan. Ce n'est que lorsque nous nous éloignons de la surface que la courbure de la Terre devient apparente. La théorie d'Einstein de la relativité générale part de l'hypothèse que l'espace-temps est également localement plat. Les ondes de choc créent un changement brusque, ou discontinuité, dans la pression et la densité d'un fluide. Cela crée un saut dans la courbure de l'espace-temps, mais pas assez pour créer le "plissement" vu dans les modèles de l'équipe, dit Temple.
La partie la plus cool de la découverte de Temple est que tout, ses travaux antérieurs sur les ondes de choc pendant le Big Bang et la combinaison des travaux de Vogler et Reintjes, vont ensemble.
Il y a tellement de sérendipité », explique Temple. «C'est vraiment la partie la plus cool pour moi.
J'aime que ce soit si subtil. Et j'aime que le champ mathématique de la théorie des ondes de choc, créé pour traiter des problèmes qui n'avaient rien à voir avec la relativité générale, nous ait conduits à la découverte d'un nouveau type de singularité espace-temps. Je pense que c'est une chose très rare, et je dirais que c'est une découverte d'une génération. "
Alors que le modèle semble bon sur le papier, Temple et son équipe se demandent comment les gradients abrupts dans l'espace-temps à une «singularité de régularité» pourraient provoquer des effets plus importants que prévu dans le monde réel. La relativité générale prédit que les ondes de gravité pourraient être produites par la collision d'objets massifs, tels que les trous noirs. «Nous nous demandons si une onde de choc stellaire qui explose et qui frappe un choc implosant au bord d'attaque d'un effondrement, pourrait stimuler des ondes de gravité plus fortes que prévu», dit Temple. "Cela ne peut pas se produire dans la symétrie sphérique, ce que notre théorème suppose, mais en principe, cela pourrait se produire si la symétrie était légèrement brisée."
Légende de l'image: interprétation par l'artiste du déroulement de l'espace-temps au début du Big Bang. John Williams / TerraZoom
