Les trous noirs. La collision épique entre deux étoiles à neutrons en 2017 est vraiment le cadeau scientifique qui ne cesse de donner. Au moment de leur fusion, des ondes gravitationnelles se sont propagées dans tout l’Univers ; aujourd’hui, les réverbérations de cet événement pourraient confirmer une hypothèse vieille de plusieurs décennies concernant les trous noirs
Les astronomes qui examinent les données relatives aux ondes gravitationnelles pensent avoir trouvé la preuve de l’existence d’échos, ce qui ne pourrait se produire qu’en présence du “flou quantique” produit par le rayonnement de Hawking.
“Selon la théorie de la relativité générale d’Einstein, rien ne peut échapper à la gravité d’un trou noir une fois qu’il a dépassé un point de non-retour, appelé horizon des événements”, a déclaré l’astronome et physicien Niayesh Afshordi de l’université de Waterloo au Canada.
“C’est ce qu’ont compris les scientifiques pendant longtemps, jusqu’à ce que Stephen Hawking utilise la mécanique quantique pour prédire que les particules quantiques s’échappent lentement des trous noirs, ce que nous appelons maintenant le rayonnement de Hawking.”
La propriété la plus célèbre des trous noirs est leur pouvoir gravitationnel extrême. Elle est si intense que, selon la relativité générale, dès que quelque chose s’approche du point appelé horizon des événements, rien ne peut s’échapper. Même la chose la plus rapide de l’Univers – le rayonnement électromagnétique – ne peut s’échapper.
Mais la mécanique quantique peut expliquer des détails de l’Univers d’une manière que la relativité générale ne peut pas. Selon une idée avancée par Hawking en 1974, un trou noir émet quelque chose lorsqu’on y ajoute la mécanique quantique. Il s’agit d’un type théorique de rayonnement électromagnétique appelé, à juste titre, rayonnement de Hawking.
Cette émission théorique semble similaire au spectre de la lumière produite par des objets chauffés, obéissant aux règles du rayonnement du corps noir, sauf que dans ce cas, c’est la masse super lourde du trou noir qui provoque l’émission d’ondes de très basse énergie.
L’existence de ce rayonnement signifierait que les trous noirs s’évaporent lentement, ce qui résoudrait le paradoxe de l’information sur les trous noirs ; mais, tout comme les ondes gravitationnelles l’étaient jusqu’à il y a quelques années à peine, ce rayonnement est jusqu’à présent trop faible pour être détecté.
Les analogues de trous noirs fabriqués en laboratoire ont définitivement semblé suggérer que le rayonnement de Hawking est réel. Mais les ondes gravitationnelles pourraient changer cela. En effet, si le rayonnement de Hawking est réel, il devrait y avoir un “flou” quantique autour de l’extérieur de l’horizon des événements d’un trou noir, et ce flou devrait produire des échos d’ondes gravitationnelles.
“Les scientifiques ont été incapables de déterminer expérimentalement si de la matière s’échappe des trous noirs jusqu’à la détection très récente des ondes gravitationnelles”, a déclaré Afshordi.
“Si le flou quantique responsable du rayonnement de Hawking existe bel et bien autour des trous noirs, les ondes gravitationnelles pourraient rebondir dessus, ce qui créerait des signaux d’ondes gravitationnelles plus petits après l’événement principal de collision gravitationnelle, comme des échos qui se répètent.”
C’est ce qu’Afshordi et son collègue, le cosmologiste Jahed Abedi de l’Institut Max Planck de physique gravitationnelle en Allemagne, pensent avoir pu détecter dans les données gravitationnelles. Leurs résultats, disent-ils, correspondent aux échos simulés prédits par les modèles de trous noirs flous émettant un rayonnement de Hawking.
Mais il y a quelques mises en garde. D’une part, une analyse effectuée l’année dernière sur les données d’ondes gravitationnelles de GW 150914 – la première détection d’ondes gravitationnelles – n’ a trouvé aucune preuve de rayonnement de Hawking.
En outre, une autre étude réalisée l’année dernière a procédé à une analyse concertée de tous les signaux d’ondes gravitationnelles recueillis à ce jour, à la recherche de preuves d’échos d’ondes gravitationnelles et, par extension, de rayonnement de Hawking. Elle n’a trouvé “aucune preuve statistiquement significative” d’échos.
Il est tout à fait possible, en fait, que nos instruments ne soient pas encore assez sensibles pour détecter le rayonnement de Hawking. Et Afshordi reconnaît que le signal détecté par l’équipe pourrait en fait n’être que du bruit dans les données.
Pour le savoir, il faudrait rechercher des signaux similaires dans d’autres ensembles de données sur les ondes gravitationnelles.
“Maintenant que les scientifiques savent ce que nous recherchons, nous pouvons chercher d’autres exemples, et avoir une confirmation beaucoup plus robuste de ces signaux”, a déclaré Afshordi.
“Une telle confirmation serait la première sonde directe de la structure quantique de l’espace-temps”
Les recherches ont été publiées dans le Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.