Proposé par le physicien Stephen Hawking en 1974, le rayonnement de Hawking décrit les petites quantités de rayonnement à haute énergie qui pourraient théoriquement échapper à l’attraction gravitationnelle d’un trou noir.
Cette hypothèse va à l’encontre de l’idée reçue selon laquelle rien, pas même la lumière, ne peut s’échapper d’un trou noir. Aujourd’hui, pour la première fois, des physiciens ont enfin observé le rayonnement de Hawking – dans un trou noir simulé.
Pour être clair, l’hypothèse d’Hawking ne changera pas tant que nous ne pourrons pas observer le rayonnement d’Hawking à proximité d’un trou noir réel, mais notre technologie est loin d’être assez avancée pour le faire actuellement.
À la place, les physiciens testent leurs hypothèses sur des simulations de trous noirs créées en laboratoire – basées non pas sur la lumière, mais sur le son.
Proposés dans les années 1980, mais construits seulement en 2009, ces trous noirs acoustiques, ou “muets”, sont formés en refroidissant des atomes de rubidium à quelques milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu.
À ce stade, les atomes entrent dans un état quantique de la matière, où ils commencent à se comporter comme des clones les uns des autres, s’agglutinant pour former une “super particule”, ou onde, connue sous le nom de condensat de Bose-Einstein (CBE).
Des recherches antérieures ont montré que ces trous noirs acoustiques – qui nécessitent également un ensemble de miroirs, de lasers, de lentilles et de bobines magnétiques – imitent effectivement le comportement des vrais trous noirs à certains égards cruciaux, et sont donc considérés comme un assez bon substitut.
Jeff Steinhauer, physicien à l’Institut israélien de technologie de Haïfa, travaille sur son trou noir acoustique depuis sept ans maintenant, et l’a finalement perfectionné au point de pouvoir simuler avec précision le comportement des particules au bord, ou horizon des événements, de son trou noir.
Incroyablement, lorsqu’il a réalisé l’expérience 4 600 fois, il a vu exactement ce que Hawking avait prédit : des paires de phonons (paquets d’énergie sonore) ont commencé à apparaître spontanément à l’horizon des événements, avant que l’un d’eux ne soit propulsé loin du trou noir et dans l’espace simulé, tandis que l’autre restait à l’intérieur.
Au cas où vous auriez besoin d’un petit rappel sur le rayonnement de Hawking, l’hypothèse est liée à un problème infâme de physique théorique connu sous le nom de paradoxe de l’information du trou noir.
Selon le rayonnement de Hawking, l’Univers est rempli de particules virtuelles enchevêtrées qui apparaissent et disparaissent 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.
Dans ce cas, une particule est engloutie, tandis que l’autre rayonne dans l’espace.
Grâce à ce rayonnement qui s’échappe et qui vole de l’énergie au trou noir, ce dernier perd de la masse au fil du temps et finit par s’évaporer, emportant avec lui toutes les informations sur ce qu’il a avalé.
Le paradoxe est donc le suivant : selon la théorie générale de la relativité d’Einstein, toute la matière qui traverse l’horizon des événements d’un trou noir est engloutie à jamais et ne peut jamais être récupérée ; mais selon notre compréhension de la mécanique quantique, les informations relatives à cette matière engloutie ne peuvent jamais être complètement détruites ; quelle est donc la bonne réponse ?
les trous noirs pourraient en fait être entourés d’un halo de “cheveux mous”, capables de stocker des informations, de sorte qu’elles ne soient pas totalement perdues. Au début de l’année, Hawking a publié une “solution” au paradoxe de l’information, qui n’a pas convaincu tous les spécialistes du domaine, mais qui suggère en gros que les trous noirs sont capables de stocker de l’information . Vous pouvez en savoir plus à ce sujet ici.
Revenons maintenant à Steinhauer et son équipe. Après avoir mené leur expérience de trou noir acoustique pendant six jours d’affilée, les chercheurs ont pris des photos du BEC et ont montré que les phonons qui s’échappaient étaient en fait “enchevêtrés” avec ceux qui y entraient.
“Nous avons vu que les paires de haute énergie étaient intriquées, alors que les paires de basse énergie ne l’étaient pas”, a-t-il déclaré à Sarah Griffths de Wired.
“Nous observons une distribution thermique du rayonnement de Hawking, stimulé par les fluctuations quantiques du vide, émanant d’un trou noir analogue. Cela confirme la prédiction de Hawking concernant la thermodynamique des trous noirs.”
l’intrication entre les particules de Hawking et leurs partenaires génère suffisamment d’énergie pour créer un véritable mur de flammes au bord d’un trou noir. Steinhauer a ajouté que les particules excitant l’horizon des événements ont généré tant d’énergie, la simulation soutient également la controverse du pare-feu – une hypothèse distincte qui suggère la rupture du Plus d’informations sur cette hypothèse ici.
Il faudra encore beaucoup de réplications et de confirmations pour prouver ces résultats – certains doutent que le BEC qu’ils ont créé soit un véritable BEC – et seules des observations directes de véritables trous noirs permettront à Hawking de prétendre au prix Nobel. Mais Steinhauer et son équipe pourraient bien être sur la bonne piste.
“Stephen Fairhurst, professeur à l’école de physique et d’astronomie de l’université de Cardiff, qui n’a pas participé à l’étude, a déclaré à Tom Chivers de Buzzfeed : “Vous sondez cette caractéristique de la gravité qui est très difficile à sonder expérimentalement avec de vrais trous noirs.
“Je ne sais pas exactement comment ces choses peuvent nous apprendre la gravité quantique, mais c’est sûrement le prochain objectif – voir comment nous pouvons traduire cela en relativité.”
Les résultats ont été publiés dans la revue Nature Physics.