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Le rayonnement de Hawking

Dossier - Singularités, trou de ver et voyage spatiotemporel
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Laurent Sacco, Futura

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Trous de ver, l'expression fait rêver mais quel est exactement leur statut dans la science actuelle ? Peut-on vraiment espérer voyager dans le temps et rejoindre les étoiles grâce à eux tout comme les héros de Stargate ou Valérian ?

  
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Parallèlement à Tipler, Stephen Hawking s'était lancé dans l'analyse du comportement d'un champ quantique en espace-temps courbe au voisinage d'un trou noir. Alors que tout semblait indiquer que rien ne pouvait en sortir, il découvrit à sa grande stupéfaction qu'on pouvait associer un rayonnement à tout trou noir. Comment cela est-il possible ?

Stephen Hawking devant un tableau couvert d'équations de théorie quantique des champs. © IOP-Channel 4

C'est encore un tour de magie quantique. Le vide, comme on le verra plus loin, ne l'est pas vraiment et est continuellement agité par des paires de particules-antiparticules émergeant fugacement avant de s'annihiler par recombinaison. On parle de processus et de particules virtuels.

Particules et forces de marée

Or si l'on considère deux tels photons (qui sont leurs propres antiparticules) au voisinage de l'horizon des événements (Event horizon) d'un trou noir, les forces de marée sont suffisantes pour que l'un tombe dans le trou en traversant l'horizon. Le travail fourni par les forces de marée (Tidal gravity) pour séparer les particules ayant alors fourni assez d'énergie pour que les particules deviennent réelles et que l'une s'échappe vers l'infini, comme on peut le voir sur le diagramme ci-dessous.

Les particules et les forces de marées. © DR

On peut calculer la probabilité pour que cela se produise. Plus un trou noir est petit plus ses forces de marée sont grandes et plus la probabilité de séparer des particules l'est aussi.

Le bilan net est une décroissance de plus en plus rapide de la masse d'un trou noir, car l'énergie emportée par la particule s'échappant doit bien l'être aux dépens de celle stockée par celui-ci. Il faut admettre qu'il existe comme une sorte de courant d'énergie négative qui pénètre à l'intérieur du trou noir. C'est loin d'être trivial, car depuis ses débuts la mécanique quantique semble exiger le bannissement des énergies négatives comme solutions physiques possibles de ses équations.

Ce phénomène d'évaporation est fascinant et il faudrait lui consacrer un dossier entier pour lui rendre justice, ce que malheureusement nous ne ferons pas ici. Outre l'apparition problématique d'états d'énergies négatives (capitale comme la suite de notre enquête sur les trous de ver le montrera), il existe un autre phénomène digne d'être noté.

On l'a appelé le paradoxe de l'information. Voyons ce que c'est.

Le paradoxe de l'information

Théoriquement un trou noir avale tout ce qui traverse son horizon sans jamais rien laisser ressortir. Il peut être décrit uniquement et complètement par sa masse et son moment cinétique (le cas chargé est négligé). Donc, de quoi que ce soit qui tombe à l'intérieur, le trou noir ne retiendra que sa masse et rien d'autre en l'absence de moment cinétique. De plus, son évaporation se produit avec un rayonnement dit thermique, ou de corps noir, qui est le plus « désordonné » possible.

L'information liée à l'organisation des objets de même masse (par exemple) semble donc être perdue à tout jamais lorsque qu'on les jette dans un trou noir !

Illustration du no hair theorem, peut importe ce qui tombe dans un trou noir, celui-ci ne retiendra que la masse, la charge et le moment cinétique liés à l'objet. © Jean Pierre Luminet

Ceci est en contradiction avec les règles fondamentales de la mécanique quantique qui pourtant sont essentielles pour arriver à ce résultat, d'où l'emploi de l'expression paradoxe de l'information.

Léonard Susskind. © Stanford University

Hawking a fermement défendu, jusqu'à récemment encore, que c'était bien ce qui se produisait. En revanche Gerard 't Hooft et Leonard Susskind s'y sont toujours opposés. La question reste ouverte en dépit de progrès récents issus de la théorie des cordes et de Hawking lui-même, indiquant qu'en réalité l'information se conserverait tout de même. Le rayonnement émis par le trou noir ne serait pas complètement désordonné car pas totalement indépendant du contenu interne de celui-ci.

Début de l'article de Hawking datant de 1974.