Qu’est-ce que le rayonnement de Hawking ?

Le rayonnement de Hawking décrit des particules hypothétiques formées par la frontière d’un trou noir. Ce rayonnement implique que les trous noirs ont des températures qui sont inversement proportionnelles à leur masse.

En d’autres termes, plus un trou noir est petit, plus il devrait être chaud.

Bien qu’il n’ait jamais été observé directement, le rayonnement de Hawking est une prédiction soutenue par Stephen Hawking qui, en 1974, a publié un modèle combiné de la relativité générale et de la mécanique quantique. Il doit son nom à l’article de l’éminent physicien intitulé “Black hole explosions ?”, qui défend son existence.

S’il s’avérait que le rayonnement de Hawking est une réalité, cela signifierait que les trous noirs peuvent émettre de l’énergie et donc rétrécir en taille, le plus petit de ces objets incroyablement denses explosant rapidement dans une bouffée de chaleur (et le plus grand s’évaporant lentement sur des trillions d’années dans une brise froide).

Pourquoi les trous noirs brillent-ils ?

Lorsque de la matière pénètre dans un trou noir, elle est effectivement isolée du reste de l’Univers. Cela supprime également une certaine mesure de désordre, une caractéristique que les physiciens appellent entropie.

Comme ce retrait de matière rend l’Univers moins désordonné, on pensait qu’il enfreignait la deuxième loi de la thermodynamique.

Un étudiant en physique de Princeston, aux États-Unis, Jacob Bekenstein, a fait remarquer que la limite entourant l’espace le plus touché par la gravité démente d’un trou noir – une “surface” appelée horizon des événements – devrait augmenter de surface chaque fois que de la matière y tombe.

Il a montré comment cette surface représente la mesure de l’entropie qui serait autrement perdue, une suggestion qui devrait résoudre le paradoxe.

Hawking n’en était pas si sûr. L’entropie est une autre façon de décrire l’énergie thermique, qui émet nécessairement des radiations. Si un horizon des événements présente de l’entropie, il devrait briller d’une certaine manière, ce qui signifie que les trous noirs ne seraient pas si noirs après tout.

Dans ses efforts pour réfuter la suggestion apparemment absurde de Bekenstein, Hawking en a discuté avec d’autres physiciens et a tenté de démontrer, à l’aide de modèles mathématiques, que ce n’était pas possible.

Au lieu de cela, il a découvert que les trous noirs semblent réellement briller d’une lumière froide.

Comment les trous noirs produisent-ils le rayonnement de Hawking ?

Le processus physique qui sous-tend l’émission de particules à proximité de l’horizon des événements d’un trou noir est assez complexe et repose sur une solide compréhension des mathématiques de la théorie quantique des champs.

Il est généralement décrit comme le résultat de la séparation par la gravité de deux particules “virtuelles” jumelles qui émergent naturellement du vide. Normalement, elles se recombinent et s’annulent, mais dans ce cas, la séparation laisse une moitié de chaque paire s’échapper sous forme de rayonnement réel.

En fait, l’explication populaire de Hawking sur les mathématiques décrit des particules virtuelles fugaces affectées par une gravité extrême, une moitié de la paire retirant la masse du trou noir grâce à une gravité extrême fournissant à la particule une énergie négative.

D’autres physiciens estiment que cette description “localisée” de particules se séparant sur une ligne imaginaire est quelque peu trompeuse.

Bien que nous ayons besoin d’une théorie complète du rôle de la gravité dans la mécanique quantique pour cartographier correctement cette interaction, les conclusions de Hawking montrent comment un espace courbé peut bouleverser le mélange de propriétés quantiques dans les champs proches de l’horizon des événements, au point que les trous noirs “dispersent” certaines caractéristiques tout en laissant d’autres intactes. Ce sont ces propriétés intactes qui ressemblent à des températures de rayonnement spécifiques et qui peuvent provoquer la contraction d’un trou noir.

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