Un analogue d’un trou noir créé en laboratoire a fourni une nouvelle preuve que ces mystérieux objets spatiaux émettent réellement des rayonnements. Cette preuve est indirecte : les physiciens ont montré que l’analogue a une température, ce qui est une condition préalable nécessaire au rayonnement éponyme prédit par Stephen Hawking.
En vertu de la relativité générale, un trou noir est inéluctable. Sa puissance gravitationnelle est si intense que même la lumière – la chose la plus rapide de l’Univers – ne peut atteindre une vitesse d’échappement. Par conséquent, un trou noir selon la relativité générale n’émet aucun rayonnement électromagnétique.
Mais selon une théorie avancée par Hawking en 1974, un trou noir émet quelque chose lorsque l’on ajoute la mécanique quantique au mélange : un type théorique de rayonnement électromagnétique appelé, à juste titre, rayonnement de Hawking.
Cette émission théorique ressemble au rayonnement du corps noir, produit par la température du trou noir, qui est inversement proportionnelle à sa masse. Toutefois, il est beaucoup plus facile de le détecter que de le faire. Ce rayonnement, s’il existe, serait bien trop faible pour être détecté par nos instruments actuels.
Et prendre la température d’un trou noir n’est pas non plus une tâche facile. Un trou noir de la masse du Soleil aurait une température de seulement 60 nanokelvins. Le rayonnement de fond cosmologique qu’il absorberait serait bien supérieur au rayonnement de Hawking qu’il émet, et plus le trou noir est grand, plus sa température est faible.
Lancez les analogues de laboratoire. Nous en avons vu un plus tôt cette année, fabriqué à partir de fibres optiques. Cette fois, le système est constitué d’un amas d’atomes de rubidium ultrafroids, refroidis à quelques milliardièmes de degré seulement au-dessus du zéro absolu. On appelle cela des condensats de Bose-Einstein.
Lorsque ce condensat commence à couler, il crée ce qu’on appelle un trou noir acoustique : cet objet piège le son (phonons) au lieu de la lumière (photons). Du côté haute énergie de l’expérience, le condensat s’écoule lentement ; du côté basse énergie, il s’écoule plus rapidement. Entre les deux se trouve un “horizon des événements” sonore.
Comme le physicien Jeff Steinhauer, du Technion-Israel Institute of Technology, et ses collègues l’ont démontré en 2016, lorsqu’une paire de phonons intriqués apparaît à cet horizon des événements, l’un d’entre eux est propulsé par le condensat à faible vitesse – c’est l’analogue du rayonnement de Hawking.
Pendant ce temps, le condensat à grande vitesse se déplace plus rapidement que l’autre phonon, de sorte qu’il est avalé par le trou noir analogue – c’est du moins ce que pensait l’équipe de Steinhauer. Mais Ulf Leonhardt, qui a dirigé l’expérience sur les fibres optiques mentionnée plus haut, a découvert qu’il s’agissait d’une anomalie statistique, si bien que l’équipe est revenue en arrière et a affiné son expérience.
Leur nouveau résultat montre à nouveau qu’un phonon est propulsé dans l’espace hypothétique, tandis que l’autre est avalé par l’hypothétique trou noir. Cette fois, il y a beaucoup moins de place pour l’incertitude – Leonhardt semblait plutôt ravi.
“Je félicite vraiment Jeff pour son travail, qui constitue une étape importante pour la communauté”, a-t-il déclaré à Physics World. “C’est quelque chose dont il devrait être fier et que nous devrions tous célébrer comme un excellent article”
Mais l’expérience a également produit un autre résultat.
“La principale nouveauté du travail de de Nova et de ses collègues est un schéma de détection astucieux qu’ils utilisent pour extraire la température du rayonnement émis”, a écrit la mathématicienne Silke Weinfurtner de l’Université de Nottingham dans un éditorial accompagnant l’article.
“Les résultats des auteurs fournissent la première preuve de la température de Hawking à partir d’un simulateur quantique.”
Ainsi, les preuves que Hawking avait raison s’accumulent, mais cette nouvelle méthode de détection de la température du trou noir analogue pourrait nous aider à mieux comprendre la thermodynamique d’un trou noir.
Les recherches ont été publiées dans la revue Nature.