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Un analogue du rayonnement Hawking est-il observable au laboratoire ?

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Indispensable pour concilier la relativité générale avec la mécanique quantique et le second principe de la thermodynamique, l'évaporation d'un trou noir, prédite par Stephen Hawking, n'a encore jamais été observée. Mais un phénomène analogue, faisant intervenir des atomes froids, pourrait, lui, être obtenu au laboratoire.

Représentation à deux dimensions d'un horizon (zone grise) évoluant au cours du temps du bas vers le haut. Des paires de particules apparaissent et produisent un rayonnement Hawking. Crédit : Ulf Leonhardt

La prédiction de l'évaporation des trous noirs faite par Stephen Hawking en 1974 a fait l'effet d'une bombe dans le milieu de la physique théorique. Initialement sceptiques, les spécialistes du domaine de la physique des particules élémentaires et de l'astrophysique relativiste scrutèrent avec attention les calculs de Hawking et tentèrent d'y trouver des erreurs. En vain.

Ils ne tardèrent pas à retrouver les prédictions d'Hawking selon des méthodes de calculs et de raisonnement différents. Le fait qu'un trou noir, caractérisé par un horizon des événements, doive nécessairement s'évaporer de plus en plus vite en rayonnant des particules selon la loi d'un corps noir semble désormais une prédiction particulièrement robuste de la physique.

Malheureusement, lorsque l'on considère des trous noirs stellaires, et la situation est bien pire avec des trous noirs de plus grande taille encore, la température de ce rayonnement est bien inférieure à celle du rayonnement fossile. Il en résulte que les trous noir actuels ne rayonnent pas mais au contraire sont plus froids que n'importe quel objet naturel de l'Univers.

Il pourrait cependant exister des mini trous noirs, laissés par les conditions infernales des premiers milliardièmes de seconde de l'Univers, qui seraient en train de s'évaporer aujourd'hui en émettant des quantités importantes de radiations. Aucun n'a pour le moment été observé.

Un modèle de trou noir dans un condensat de Bose-Einstein

Il se trouve que l'analogue du rayonnement Hawking doit se produire par exemple dans des fluides dans lesquels il existe des régions dont des ondes sonores ne peuvent sortir, tout comme la lumière est piégée par les trous noirs.

Ces véritables trous noirs soniques devraient alors rayonner des phonons, les quanta des ondes sonores. A défaut de démontrer l'évaporation des trous noirs astrophysiques, si ce phénomène pouvait être observé en laboratoire, il donnerait une plus grande confiance dans les calculs et les raisonnements employés par les physiciens théoriciens.

L'analogue d'un trou noir a déjà été observé dans une fibre optique grâce au travaux de Ulf Leonhardt et ses collègues mais le rayonnement Hawking y serait encore trop froid pour être observé. Aujourd'hui Jeff Steinhauer et ses collègues de l'Israel Institute of Technology Technion à Haifa sont parvenus à créer un trou noir artificiel avec des atomes de rubidium formant un condensat de Bose-Einstein.

Là encore, avec un champ magnétique et un laser, ils sont parvenus à créer une zone dans le condensat d'où les ondes sonores classiques ne peuvent s'échapper. L'effet des fluctuations quantiques permettrait cependant à des phonons d'être émis à la frontière séparant cette zone particulière du fluide du reste du condensat. Il s'agit donc de l'analogue de l'horizon d'un trou noir, la surface séparant la zone de l'espace-temps d'où rien de ce qui y entre ne peut ressortir, en théorie, lorsque l'on néglige la prise en compte de la mécanique quantique.

Selon les chercheurs, ce trou noir artificiel devrait émette un rayonnement de corps noir sous forme de phonons à une température de 0,3 nanokelvin. C'est encore trop froid pour observer le phénomène, si il existe bien. La nouveauté est que l'écart avec la température où celui-ci serait finalement détectable n'est plus que d'un ordre de grandeur. Avec un peu d'effort, celle-ci devrait rapidement être atteinte...

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