Le Dr Stephen Hawking a présenté une théorie troublante en 1974 selon laquelle les trous noirs s'évaporaient. Aujourd'hui, 40 ans plus tard, un chercheur a annoncé la création d'une simulation du rayonnement Hawking en laboratoire.
La possibilité d'un trou noir est venue de la théorie d'Einstein de la relativité générale. Karl Schwarzchild en 1916 a été le premier à réaliser la possibilité d'une singularité gravitationnelle avec une frontière qui l'entoure à laquelle la lumière ou la matière entrant ne peut pas s'échapper.
Ce mois-ci, Jeff Steinhauer du Technion - Israel Institute of Technology, décrit dans son article, «Observation of self-amplifying Hawking radiation in an analog black-hole laser» dans la revue Nature, comment il a créé un horizon d'événements analogique en utilisant une substance refroidi à près de zéro absolu et à l'aide de lasers a pu détecter l'émission de rayonnement Hawking. Serait-ce la première preuve valable de l'existence d'un rayonnement Hawking et par conséquent sceller le sort de tous les trous noirs?
Ce n'est pas la première tentative de création d'un analogue de rayonnement Hawking dans un laboratoire. En 2010, un analogue a été créé à partir d'un bloc de verre, d'un laser, de miroirs et d'un détecteur réfrigéré (Phys. Rev. Letter, sept 2010); aucune fumée n'accompagnait les miroirs. L'impulsion ultra-courte de la lumière laser intense traversant le verre a induit une perturbation de l'indice de réfraction (RIP) qui a fonctionné comme horizon d'événements. On a vu de la lumière émettre du RIP. Néanmoins, les résultats de F. Belgiorno et al. restent controversées. D'autres expériences étaient encore justifiées.
La dernière tentative de reproduction du rayonnement Hawking par Steinhauer adopte une approche plus high-tech. Il crée un condensat de Bose-Einstein, un état de matière exotique à une température très proche du zéro absolu. Les limites créées à l'intérieur du condensat fonctionnaient comme un horizon d'événements. Cependant, avant d'entrer dans les détails, prenons un peu de recul et considérons ce que Steinhauer et d'autres tentent de reproduire.
La recette du rayonnement Hawking commence par un trou noir. Tout trou noir de taille fera l'affaire. La théorie de Hawking stipule que les petits trous noirs irradieront plus rapidement que les plus grands et qu'en l'absence de matière qui y tombe - l'accrétion "s'évapore" beaucoup plus rapidement. Les trous noirs géants peuvent prendre plus d'un million de fois l'âge actuel de l'Univers pour s'évaporer sous l'effet du rayonnement de Hawking. Comme un pneu avec une fuite lente, la plupart des trous noirs vous amèneraient au centre de réparation le plus proche.
Vous avez donc un trou noir. Il a un horizon d'événement. Cet horizon est également connu sous le nom de rayon de Schwarzchild; la lumière ou la matière pénétrant dans l'horizon des événements ne peut jamais être vérifiée. Ou alors, c'était la compréhension acceptée jusqu'à ce que la théorie du Dr Hawking la bouleverse. Et en dehors de l'horizon des événements se trouve un espace ordinaire avec quelques mises en garde; considérez-le avec quelques épices ajoutées. À l'horizon des événements, la force de gravité du trou noir est si extrême qu'elle induit et amplifie des effets quantiques.
Tout l'espace - en nous et nous entourant jusqu'aux extrémités de l'Univers comprend un vide quantique. Partout dans le vide quantique de l’espace, des paires de particules virtuelles apparaissent et disparaissent; s'anéantissant immédiatement sur des échelles de temps extrêmement courtes. Avec les conditions extrêmes à l'horizon des événements, des paires de particules et d'antiparticules virtuelles, comme un électron et un positron, se matérialisent. Celles qui apparaissent suffisamment près d'un horizon d'événements peuvent avoir l'une ou l'autre particule virtuelle zappée par la gravité des trous noirs, ne laissant qu'une seule particule qui est par conséquent désormais libre d'ajouter au rayonnement émanant du tour du trou noir; le rayonnement qui dans son ensemble est ce que les astronomes peuvent utiliser pour détecter la présence d'un trou noir, mais pas l'observer directement. C'est le dissociation de particules virtuelles par le trou noir à son horizon d'événement qui provoque le rayonnement de Hawking qui représente à lui seul une perte nette de masse du trou noir.
Alors pourquoi les astronomes ne recherchent-ils pas simplement dans l'espace le rayonnement de Hawking? Le problème est que le rayonnement est très faible et est submergé par le rayonnement produit par de nombreux autres processus physiques entourant le trou noir avec un disque d'accrétion. Le rayonnement est noyé par le chœur des processus énergétiques. La possibilité la plus immédiate est donc de reproduire le rayonnement de Hawking en utilisant un analogue. Alors que le rayonnement de Hawking est faible par rapport à la masse et à l'énergie d'un trou noir, le rayonnement a essentiellement tout le temps dans l'Univers pour se détacher de son corps parent.
C’est là que la convergence de la compréhension croissante des trous noirs a conduit au travail fondateur du Dr Hawking. Les théoriciens, dont Hawking, ont réalisé que malgré la théorie quantique et gravitationnelle qui est nécessaire pour décrire un trou noir, les trous noirs se comportent également comme des corps noirs. Ils sont régis par la thermodynamique et sont esclaves de l'entropie. La production de rayonnement Hawking peut être caractérisée comme un processus thermodynamique et c'est ce qui nous ramène aux expérimentateurs. D'autres processus thermodynamiques pourraient être utilisés pour reproduire l'émission de ce type de rayonnement.
À l'aide du condensat de Bose-Einstein dans un récipient, Steinhauer a dirigé des faisceaux laser dans le condensat délicat pour créer un horizon d'événements. De plus, son expérience crée des ondes sonores qui sont emprisonnées entre deux frontières qui définissent l'horizon des événements. Steinhauer a découvert que les ondes sonores à son horizon d'événements analogiques étaient amplifiées comme cela arrive à la lumière dans une cavité laser commune, mais aussi comme prévu par la théorie des trous noirs du Dr Hawking. La lumière s'échappe du laser présent à l'horizon des événements analogiques. Steinhauer explique que cette lumière qui s'échappe représente le rayonnement Hawking longtemps recherché.
La publication de ce travail dans Nature a fait l'objet d'un examen collégial considérable pour être acceptée, mais cela ne suffit pas à valider ses conclusions. Le travail de Steinhauer résistera désormais à un examen encore plus approfondi. D'autres tenteront de reproduire son travail. Sa configuration de laboratoire est un analogue et il reste à vérifier que ce qu'il observe représente vraiment le rayonnement de Hawking.
Références:
«Observation du rayonnement Hawking auto-amplificateur dans un laser à trou noir analogique», Nature Physics, 12 octobre 2014
«Rayonnement de Hawking à partir de filaments d'impulsion laser ultra-courts», F. Belgiorno, et al., Phys. Lettre, sept 2010
«Black hole explosions?», S. W. Hawking, et al., Nature, 1er mars 1974
«La mécanique quantique des trous noirs», S. Hawking, Scientific American, janvier 1977
