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Un analogue du rayonnement Hawking observé au labo ?

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Un groupe de chercheurs de l'université de Milan, en Italie, affirme avoir observé l'analogue de l'effet Hawking. Ils pensent en effet avoir observé l'équivalent d'un horizon des événements et la création spontanée de photons dans un bloc de verre de quartz en réponse à un faisceau laser.

Stephen Hawking en visite au Cern, peut-être le seul endroit où l'on pourra prouver sa prédiction concernant l'évaporation d'un trou noir. Crédit : Cern.

C'est en 1974 que Stephen Hawking a fait éclater une bombe dans le monde la physique théorique en démontrant que les trous noirs ne l'étaient pas vraiment. Ils devaient s'évaporer en rayonnant des particules (comme les photons) en raison des lois de la mécanique quantique. Cela avait déjà été suspecté par le physicien John Wheeler.

John Wheeler, réfléchissant sur les analogies entre une étoile à neutrons et un trou noir, en était arrivé à la conclusion que, puisque ce type d'étoile était une sorte de noyau géant, on pouvait s'attendre à ce que des effets quantiques, analogues à ceux de la désintégration radioactive, permettent aux particules piégées dans un trou noir d'en sortir par effet tunnel.

Son élève, Kip Thorne, réussit à le dissuader de creuser l'idée plus en avant, arguant que l'horizon d'un trou noir était véritablement une surface entourant une région de l'espace dont rien ne pouvait sortir, même sous l'effet de la mécanique quantique. Il avait tort, comme le montrèrent bien plus tard Frank Wilczek et Maulik K. Parikh.

Steven Hawking avait les mêmes certitudes que Kip Thorne lorsqu'il prit connaissance des idées de Bekenstein à propos de l'entropie des trous noirs. Si les trous noirs possédaient vraiment une entropie, les lois de la thermodynamique impliquaient qu'ils devaient aussi avoir une température et rayonner avec un spectre de corps noir. Encore une fois, cela s'opposait à la définition même d'un trou noir : une région de l'espace-temps causalement déconnectée du reste de l'Univers par une surface fermée interdisant à tout système physique y pénétrant d'en sortir, ou de signaler ce qui lui arrive au-dehors.

La découverte d'Hawking

Cherchant à démontrer que Bekenstein avait tort, Hawking et bien d'autres physiciens durent cependant se résoudre à accepter qu'il devait bel et bien exister un rayonnement de corps noir faisant évaporer un trou noir, si l'on prenait en compte la nature quantique du Cosmos.

En plus d'être à la frontière de la relativité générale, de la mécanique quantique et de la mécanique statistique, les trois piliers de toute la physique moderne, l'évaporation des trous noirs a des implications importantes pour la cosmologie, en particulier par le truchement du concept de minis trous noirs primordiaux. Ils peuvent en effet servir de sonde cosmologique pour comprendre la « création » de l'Univers observable.

Sur ce diagramme d'espace-temps, on voit le principe du rayonnement Hawking. Le vide quantique fluctue sans cesse avec des paires de particule-antiparticule qui apparaissent avant de s'annihiler l'une l'autre. Quand cela se produit trop proche de l'horizon des événements du trou noir (Event Horizon), l'une des particules (antiparticule) tombe dans le trou alors que l'autre s'échappe. En fait, ce sont les forces de marée qui fournissent l'énergie pour séparer les paires de particules, et l'énergie empruntée au trou noir fait diminuer sa masse alors qu'elle se retrouve sous la forme de la particule (antiparticule) s'échappant à l'infini. Plus le trou noir est petit, plus les forces de marée sont grandes, et la production de rayonnement Hawking est importante et devient rapide. C'est pourquoi un mini trou noir de la masse du mont Blanc devrait s'évaporer rapidement en rayonnant beaucoup de particules comme des photons gamma, des neutrinos, des positrons etc. © Northern Arizona University

Comment tester l'hypothèse de l'évaporation des trous noirs ?

Actuellement, il n'existe pas d'observations de l'émission du rayonnement Hawking par un trou noir. Rappelons que les trous noirs stellaires sont censés, selon les calculs, être bien trop froids pour cela. Seuls des minis trous noirs laissés par le Big Bang, ou que l'on pourra peut-être créer dans les collisions au LHC, pourraient donner une signature observable. Cependant, à défaut de montrer que les trous noirs peuvent véritablement s'évaporer, il doit être possible d'étudier en laboratoire des phénomènes physiques décrits par des équations analogues à celles utilisées par Hawking. Le plus simple est de considérer des ondes sonores dans de la matière condensée, avec des zones d'où aucun son ne peut sortir. On parle alors de « trous muets », dumb holes en anglais.

On peut aussi, comme l'ont fait il y a quelques années Ulf Leonhardt et ses collègues, regarder le comportement des ondes lumineuses dans une fibre optique. À nouveau, ce qui compte, c'est de créer l'équivalent d'un horizon des événements.

Une expérience avec un bloc de verre de quartz

Franco Belgiorno et des physiciens de l'université de Milan ont eux considéré un bloc de verre de quartz. C'est un milieu diélectrique dans lequel des effets d'optique non linéaires, modifiant l'indice du verre selon l'onde lumineuse s'y propageant, sont susceptibles de se produire sous l'action d'un faisceau laser.

Les chercheurs affirment dans un article publié sur ArXiv qu'il est alors possible par ce moyen de créer une zone avec l'équivalent d'un horizon des événements pour les ondes lumineuses dans ce bloc. À ceci près qu'au lieu d'être l'analogue d'un trou noir, c'est en réalité un trou blanc qui apparaîtrait. Rappelons que pour un trou blanc, l'effet inverse d'un trou noir se produit : l'horizon y est une barrière impénétrable depuis l'extérieur.

Quelles conséquences attendre de cette découverte ?

L'émission spontanée de particules à la façon d'un trou noir doit pourtant s'y produire et les chercheurs affirment que c'est bien ce qu'ils ont observé. Il y aurait apparition de photons ayant des caractéristiques bien spécifiques et qui ne peuvent pas être expliqués par d'autres processus que l'analogue d'un rayonnement Hawking.

Si d'autres laboratoires confirmaient à la fois le phénomène et son analyse, cette découverte serait d'un grand intérêt.

Le problème est que l'on ne sait pas décrire le stade ultime de l'évaporation d'un trou noir, même si on tente de le faire avec des théories de gravitation quantique, comme la théorie des supercordes et la gravitation quantique à boucles. Ces expériences pourraient nous aider à y voir plus clair sur la nature ultime de l'espace et du temps, ainsi que sur ce qui s'est passé au moment du Big Bang.

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