Le trou noir acoustique a pu montrer le rayonnement de Hawking

Par: Monique Menard | 2020-04-25

Les trous noirs ne sont pas vraiment noirs. Au lieu de cela, ces récepteurs gravitationnels émettent des radiations qui les font rétrécir et finalement s’évaporer.

Les trous noirs ne sont pas vraiment noirs. Au lieu de cela, ces récepteurs gravitationnels émettent des radiations qui les font rétrécir et finalement s’évaporer. C’est l’une des prédictions les plus étranges sur les trous noirs faite par Stephen Hawking il y a plus de 40 ans, et la controverse se poursuit encore aujourd’hui. Ainsi, après sept ans de recherche unique, le physicien expérimental Jeff Steinhauer de l’Institut de technologie d’Israël a créé un trou noir artificiel qui semble émettre les propres radiations de Hawking pendant les fluctuations quantiques qui se produisent dans son installation expérimentale.

Les radiations de Hawking sont presque impossibles à observer dans un vrai trou noir, et les précédents trous noirs artificiels n’en montraient aucune trace.

Selon Jeff Steinhauer, les analogues de laboratoire des trous noirs peuvent aider à résoudre certains des dilemmes des théories de Hawking liées aux radiations, notamment le paradoxe de l’information des trous noirs, et peuvent également indiquer la voie à suivre pour combiner la mécanique quantique et la théorie de la gravité.

« Cette expérience est vraiment étonnante. Mais cela ne prouve pas que le rayonnement de Hawking existe autour des trous noirs astrophysiques », a déclaré Silke Weinfurtner, physicienne théorique et expérimentale de l’Université de Nottingham, en Angleterre.

Tout a commencé dans les années 1970, lorsque Stephen Hawking, un physicien théoricien de l’université de Cambridge (Royaume-Uni), a découvert que l’horizon des événements dans un trou noir – une zone d’où rien, y compris la lumière, ne peut s’échapper – doit avoir une sorte de conséquences pour la physique.

Le point de départ était que le caractère aléatoire de la théorie quantique exclut l’existence d’une véritable non-existence. Même une zone vide de l’espace fourmille d’oscillations du champ d’énergie, forçant une paire de photons à apparaître tout le temps uniquement pour qu’ils puissent se détruire mutuellement. Mais! ces photons « virtuels » pourraient devenir réels si l’horizon des événements les séparait avant qu’ils ne disparaissent. Un photon tomberait dans un trou noir, et l’autre s’échapperait dans l’espace.

Hawking a montré que ce faible rayonnement finira par faire rétrécir et disparaître les trous noirs, car les particules qui y tombent ont toujours une énergie négative qui les épuise. L’hypothèse la plus controversée est que la disparition d’un trou noir détruirait toutes les informations sur les objets qui y tombent. Cela contredit l’idée reçue selon laquelle la quantité totale d’informations dans l’univers reste constante.

Au début des années 1980, le physicien Bill Unru de l’Université de Colombie britannique (Canada) a proposé de tester certaines des prédictions de Stephen Hawking. Il a présenté un milieu qui connaissait un mouvement accéléré (comme l’eau qui s’approche d’une cascade). En tant que nageur ayant atteint un point de non-retour où il ne pourra pas nager assez vite pour éviter une chute d’eau, les ondes sonores dépassant le point où le « courant » dépasse la vitesse du son ne pourront pas s’échapper. Bill Unru a montré que ce point est l’équivalent de l’horizon des événements et qu’il devrait refléter la forme sonore du rayonnement de Hawking.


Jeff Steinhauer, créant des trous noirs artificiels. Crédit: Nitzan Zohar

Jeff Steinhauer a réalisé l’idée de Bill Unru dans un nuage d’atomes de rubidium, refroidi jusqu’au zéro absolu. Etant dans un piège en forme de cigare de quelques millimètres, les atomes sont entrés dans un état quantique appelé Condensat de Bose-Einstein (CEB), où la vitesse du son n’est que d’un demi-millimètre par seconde. Steinhauer a créé l’horizon des événements en accélérant certains atomes à une vitesse supersonique dans le condensat.

« À sa température ultra basse, le BEC n’est exposé qu’à de faibles fluctuations quantiques, similaires à celles de l’espace sans air, qui produisent des phonons. Les paires de phonons seront séparées l’une de l’autre. Un des partenaires devra rester du côté supersonique de l’horizon, tandis que l’autre produira des radiations Hawking », explique Jeff Steinhauer.

D’un côté de l’horizon des événements acoustiques, où les atomes se déplaçaient à des vitesses supersoniques, le phonon était piégé. Et lorsque Steinhauer a photographié le BEC, il a trouvé une corrélation entre la densité des atomes qui se trouvaient à la même distance de l’horizon des événements mais de côtés opposés. Cela montre que les paires de phonons étaient confuses – signe qu’elles sont apparues spontanément, à partir d’un seul quantum d’oscillation. Cela signifie que le BEC a émis les radiations de Hawking. Comme de vrais trous noirs, les trous acoustiques de Steinhauer ne sont pas exactement silencieux. Leur son, s’il pouvait être entendu, ressemblerait à un bruit statique.

« Bien sûr, c’est un document novateur. Mais cette preuve de confusion semble incomplète. Jeff Steinhauer a montré une corrélation uniquement pour les phonons d’énergie relativement élevée. Une paire de phonons ayant moins d’énergie peut ne pas être corrélée. Il peut aussi y avoir d’autres types de vibrations qui imitent les radiations de Hawking », a déclaré Ulf Leonhardt, physicien à l’Institut Weizmann en Israël.

On ne sait pas non plus encore très bien ce que les analogues peuvent révéler sur les secrets qui enveloppent les véritables trous noirs. Contrairement aux trous noirs de l’astrophysique, dans les trous de Steinhauer, l’information n’est pas perdue car la masse ne s’évapore pas. Cependant, si les résultats sont confirmés, ce sera un triomphe pour Stephen Hawking.

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