Nous venons d’obtenir une preuve en laboratoire de la plus grande prédiction de Stephen Hawking sur les trous noirs

Les scientifiques viennent peut-être de faire un pas vers la preuve expérimentale de l’existence du rayonnement de Hawking. À l’aide d’une fibre optique analogue à un horizon des événements – un modèle de la physique des trous noirs créé en laboratoire – des chercheurs de l’Institut Weizmann des sciences de Rehovot, en Israël, indiquent qu’ils ont créé un rayonnement de Hawking stimulé.

Selon la relativité générale, un trou noir est inéluctable. Une fois que quelque chose a dépassé l’horizon des événements pour pénétrer au cœur du trou noir, il n’y a plus de retour possible. La force gravitationnelle d’un trou noir est si intense que même la lumière – la chose la plus rapide de l’Univers – ne peut atteindre une vitesse de fuite.

En vertu de la relativité générale, un trou noir n’émet donc aucun rayonnement électromagnétique. Mais, comme l’a théorisé le jeune Stephen Hawking en 1974, il émet quelque chose lorsqu’on y ajoute la mécanique quantique.

Ce rayonnement électromagnétique théorique est appelé rayonnement de Hawking ; il ressemble au rayonnement du corps noir, produit par la température du trou noir, qui est inversement proportionnelle à sa masse (regardez la vidéo ci-dessous pour vous faire une idée de ce concept intéressant).

Ce rayonnement signifierait que les trous noirs s’évaporent de manière extrêmement lente et régulière, mais selon les mathématiques, ce rayonnement est trop faible pour être détectable par nos instruments actuels.

Il faut donc essayer de le recréer en laboratoire à l’aide d’analogues de trous noirs. Ceux-ci peuvent être construits à partir d’objets produisant des ondes, comme un fluide et des ondes sonores dans un réservoir spécial, à partir de condensats de Bose-Einstein ou de la lumière contenue dans une fibre optique.

“Le rayonnement de Hawking est un phénomène beaucoup plus général qu’on ne le pensait à l’origine”, a expliqué le physicien Ulf Leonhardt à Physics World. “Il peut se produire chaque fois que des horizons d’événements sont réalisés, que ce soit en astrophysique ou pour la lumière dans les matériaux optiques, les vagues d’eau ou les atomes ultrafroids.”

Ceux-ci ne reproduiront évidemment pas les effets gravitationnels d’un trou noir (une bonne chose pour, eh bien, nous existant), mais les mathématiques impliquées sont analogues à celles qui décrivent les trous noirs sous la relativité générale.

Cette fois, la méthode choisie par l’équipe est un système de fibre optique mis au point par Leonhardt il y a quelques années.

La fibre optique est dotée de micro-motifs à l’intérieur et fait office de conduit. Lorsqu’elle pénètre dans la fibre, la lumière ralentit un tout petit peu. Pour créer un horizon des événements analogue, deux impulsions ultrarapides de lumière laser de couleurs différentes sont envoyées dans la fibre. La première interfère avec la seconde, ce qui produit un effet d’horizon des événements, observable sous la forme de changements dans l’indice de réfraction de la fibre.

L’équipe a ensuite utilisé une lumière supplémentaire sur ce système, ce qui a entraîné une augmentation du rayonnement avec une fréquence négative. En d’autres termes, la lumière “négative” tirait de l’énergie de l'”horizon des événements”, ce qui indique un rayonnement Hawking stimulé.

Bien que ces résultats soient indubitablement intéressants, l’objectif final de ce type de recherche est d’observer un rayonnement de Hawking spontané.

L’émission stimulée est exactement ce à quoi elle ressemble – une émission qui nécessite un stimulus électromagnétique externe. Or, le rayonnement de Hawking émanant d’un trou noir serait de type spontané, et non stimulé.

Les expériences de rayonnement de Hawking stimulé posent d’autres problèmes : elles sont rarement sans ambiguïté, car il est impossible de recréer précisément en laboratoire les conditions qui règnent autour d’un horizon des événements.

Avec cette expérience, par exemple, il est difficile d’être sûr à 100 % que l’émission n’a pas été créée par une amplification du rayonnement normal, bien que Leonhardt et son équipe soient convaincus que leur expérience a effectivement produit un rayonnement de Hawking.

Quoi qu’il en soit, il s’agit d’une réalisation fascinante qui a mis un autre mystère entre les mains de l’équipe, qui a découvert que le résultat n’était pas tout à fait conforme à ses attentes.

“Nos calculs numériques prédisent une lumière de Hawking beaucoup plus forte que ce que nous avons vu”, a déclaré Leonhardt à Physics World.

“Nous prévoyons d’enquêter sur ce point par la suite. Mais nous sommes ouverts aux surprises et nous resterons nos propres pires critiques.”

Les recherches ont été publiées dans la revue Physical Review Letters.