Il y a 42 ans, le célèbre physicien théoricien Stephen Hawking a proposé que tout ce qui entre en contact avec un trou noir ne succombe pas à son insondable néant. De minuscules particules de lumière (photons) sont parfois éjectées, privant le trou noir d’une quantité infinitésimale d’énergie, et cette perte progressive de masse au fil du temps signifie que chaque trou noir finit par s’évaporer.
Connues sous le nom de rayonnement de Hawking, ces particules qui s’échappent nous aident à comprendre l’une des plus grandes énigmes de l’Univers connu, mais après plus de quarante ans, personne n’a pu prouver leur existence et la proposition de Hawking est restée au stade de l’hypothèse.
Mais tout cela pourrait être sur le point de changer, car deux groupes de chercheurs indépendants ont déclaré avoir trouvé des preuves à l’appui des affirmations de Hawking, ce qui pourrait permettre à l’un des plus grands physiciens vivants de remporter enfin un prix Nobel.
Revenons en 1974, lorsque tout cela a commencé. Hawking s’était disputé avec Jacob Bekenstein, un étudiant diplômé de l’université de Princeton, qui avait suggéré dans sa thèse de doctorat que l’entropie d’un trou noir – le “désordre” d’un système, lié à son volume, son énergie, sa pression et sa température – était proportionnelle à la surface de son horizon des événements.
Comme l’explique Dennis Overbye pour le New York Times, cela posait un problème, car selon la compréhension acceptée des lois physiques à l’époque – y compris les propres travaux de Hawking – l’entropie et le volume d’un trou noir ne pouvaient jamais diminuer.
Hawking a enquêté sur ces affirmations et s’est rapidement rendu compte qu’on lui avait donné tort. “Le professeur Hawking a effectué un calcul prodigieux incluant la théorie quantique, les règles étranges qui régissent le monde subatomique, et a été choqué de constater que des particules s’éloignaient du trou noir, indiquant qu’il n’était pas si noir après tout”, écrit Overbye.
Hawking a proposé que l’Univers soit rempli de “particules virtuelles” qui, selon ce que nous savons du fonctionnement de la mécanique quantique, entrent et sortent de l’existence et s’annihilent mutuellement dès qu’elles entrent en contact – sauf si elles apparaissent de part et d’autre de l’horizon des événements d’un trou noir. En gros, une particule est avalée par le trou noir, et l’autre s’éloigne dans l’espace.
L’existence des trous noirs fonctionne en fait, mais dans le processus, elle a soulevé un tas de problèmes que les physiciens Le rayonnement de Hawking a répondu à beaucoup de questions sur la façon dont ils essaient toujours de concilier.
“Aucun résultat en physique théorique n’a été plus fondamental ou plus influent que sa découverte que les trous noirs ont une entropie proportionnelle à leur surface”, déclare Lee Smolin, un physicien théoricien de l’Institut Perimeter pour la physique théorique au Canada.
Si Bekenstein a reçu le prix Wolf en 2012 et le prix Einstein de l’American Physical Society en 2015 pour ses travaux, qui, selon le New York Times, sont souvent des précurseurs du prix Nobel, aucun des deux scientifiques n’a reçu le prix le plus prestigieux de la science pour cette découverte. Bekenstein est décédé l’année dernière, mais Hawking est maintenant plus proche que jamais de voir son hypothèse prouvée.
Quel est le problème ? Vous vous souvenez que j’ai dit que les photons qui s’échappent volent une quantité infinitésimale d’énergie au trou noir à chaque fois qu’ils s’échappent ? Eh bien, malheureusement pour Hawking, ce rayonnement est si délicat qu’il est pratiquement impossible de le détecter à des milliers d’années-lumière de distance.
Mais le physicien Jeff Steinhauer, de l’université Technion de Haïfa, en Israël, pense avoir trouvé une solution : si nous ne pouvons pas détecter le rayonnement de Hawking dans des trous noirs réels situés à des milliers d’années-lumière de nos meilleurs instruments, pourquoi ne pas amener les trous noirs à nos meilleurs instruments ?
Comme le rapporte Oliver Moody pour le Times, Steinhauer est parvenu à créer un “trou noir” de la taille d’un laboratoire à partir de sons, et lorsqu’il l’a mis en marche, il a vu des particules voler de l’énergie sur ses bords.
Dans un article publié sur le site de prépresse de la physique, arXiv.org, Steinhauer explique qu’il a refroidi de l’hélium à un niveau juste supérieur au zéro absolu, puis l’a fait bouillir si vite qu’il a formé une “barrière” que le son ne devrait pas pouvoir traverser.
“Steinhauer a dit qu’il avait trouvé des signes que les phonons, les très petits paquets d’énergie qui constituent les ondes sonores, s’échappaient de son trou noir sonique, comme les équations de Hawking le prévoient”, rapporte Moody.
Pour être clair, les résultats de cette expérience n’ont pas encore été examinés par des pairs – c’est l’intérêt de tout mettre à la disposition du public sur arXiv.org. Ils sont actuellement examinés par des physiciens du monde entier et s’avèrent déjà controversés, mais méritent d’être approfondis.
“Les expériences sont magnifiques”, a déclaré au Telegraph le physicien Silke Weinfurtner de l’université de Nottingham, au Royaume-Uni, qui mène ses propres expériences sur Terre pour tenter de détecter le rayonnement de Hawking. “Jeff a fait un travail incroyable, mais certaines de ses affirmations sont sujettes à débat. Cela mérite d’être discuté”
Entre-temps, un article publié dans Physical Review Letters le mois dernier a trouvé un autre moyen de renforcer les arguments en faveur du rayonnement de Hawking. Les physiciens Chris Adami et Kamil Bradler, de l’Université d’Ottawa, décrivent une nouvelle technique qui leur permet de suivre la vie d’un trou noir dans le temps.
C’est passionnant, car cela signifie que les informations ou la matière qui passent au-dessus de l’horizon des événements ne “disparaissent” pas, mais s’échappent lentement au cours des dernières étapes de l’évaporation du trou noir.
“Pour effectuer ce calcul, nous avons dû deviner comment un trou noir interagit avec le champ de rayonnement de Hawking qui l’entoure”, a déclaré Adami dans un communiqué de presse. “En effet, il n’existe actuellement aucune théorie de la gravité quantique qui pourrait suggérer une telle interaction. Cependant, il semble que nous ayons fait une supposition bien fondée, car notre modèle est équivalent à la théorie de Hawking dans la limite des trous noirs fixes et immuables.”
Les deux résultats devront maintenant être confirmés, mais ils suggèrent que nous nous rapprochons d’une solution pour confirmer ou infirmer l’existence du rayonnement de Hawking, ce qui est une bonne nouvelle pour son homonyme.
Le boson de Higgs a dû attendre 49 ans pour obtenir son prix Nobel, nous devrons attendre de voir si Hawking obtient le sien. Comme le souligne Moody, Peter Higgs, qui a prédit l’existence du