Une étude confirme la théorie de la surface des trous noirs de Stephen Hawking

Il est impossible que la surface d’un trou noir diminue avec le temps. Cette théorie, élaborée en 1971 par le célèbre physicien à partir de la théorie de la relativité générale d’Einstein, reflète en réalité une règle fondamentale de la physique : la deuxième loi de la thermodynamique, qui stipule que l’entropie (le désordre) d’un système fermé ne peut que croître. Des chercheurs confirment aujourd’hui la théorie d’Hawking grâce aux ondes gravitationnelles.

L’entropie ne peut pas diminuer avec le temps. Or, l’entropie d’un trou noir est proportionnelle à sa surface ; les deux grandeurs doivent donc nécessairement augmenter. En effet, selon l’interprétation de Hawking de la relativité générale, comme la surface d’un trou noir augmente avec sa masse et qu’aucun objet jeté à l’intérieur ne peut en sortir, sa surface ne peut pas diminuer.

Mais la surface d’un trou noir diminue également au fur et à mesure qu’il tourne sur lui-même. Des chercheurs se sont donc demandés s’il était possible de jeter un objet à l’intérieur de manière à faire tourner le trou noir assez rapidement pour diminuer sa surface. « Vous le ferez tourner davantage, mais pas assez pour contrebalancer la masse que vous venez d’ajouter. Quoi que vous fassiez, la masse et la rotation feront en sorte que vous vous retrouviez avec une plus grande surface », résume Maximiliano Isi, astrophysicien au MIT et auteur principal de l’étude.

La loi des surfaces confirmée par le calcul

Pour vérifier la célèbre théorie, les chercheurs ont analysé les ondulations dans l’espace-temps créées il y a 1,3 milliard d’années par deux immenses trous noirs qui tournoyaient l’un vers l’autre rapidement, et qui ont fini par fusionner en un seul et unique trou noir plus vaste. La surface d’un trou noir est limitée par son horizon des événements — la frontière à l’intérieur de laquelle rien ne peut échapper au champ gravitationnel du trou noir. Selon le théorème des surfaces, l’aire de l’horizon des événements du trou noir nouvellement formé devrait être au moins aussi grande que les aires des horizons des événements des deux trous noirs d’origine combinés.

Les ondes gravitationnelles sur lesquelles reposent les calculs avaient été détectées en 2015, par le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). En divisant les données d’ondes gravitationnelles en deux segments de temps — avant et après la fusion —, ils ont pu déterminer les masses et les vitesses de rotation de chacun des trous noirs au cours des deux périodes, ce qui leur a permis de remonter à leur surface.

Résultat : la surface du nouveau trou noir s’est avérée plus grande que la somme des surfaces des deux trous noirs initiaux, confirmant la loi de surface de Hawking avec un niveau de confiance de plus de 95%. C’est la première fois que des scientifiques parviennent à chiffrer le phénomène. En d’autres termes, cette équipe de physiciens a prouvé que l’augmentation de surface due à la masse supplémentaire intégrée sera toujours supérieure à la surface perdue lors de la rotation.

La théorie de la relativité générale, d’où découle la loi des surfaces, est donc efficace pour caractériser les trous noirs — ou tout autre objet de grande échelle. Les choses se compliquent toutefois lorsque la mécanique quantique, qui décrit l’infiniment petit, intervient : des événements étranges se produisent, certains étant même en totale contradiction avec la loi des surfaces.

Une loi en contradiction avec la mécanique quantique

Car Stephen Hawking a élaboré une autre théorie selon laquelle un trou noir est nécessairement amené à s’évaporer sur une période extrêmement longue (plus longue que l’âge de l’Univers). Cette théorie, connue sous le nom de « rayonnement de Hawking », décrit un infime rayonnement émis aux abords de l’horizon des événements d’un trou noir, provoqué par d’étranges effets quantiques. Ainsi, les trous noirs ne peuvent pas rétrécir selon la relativité générale, mais ils en sont capables selon la mécanique quantique.

Parce que cette « évaporation » peut se produire sur des échelles de temps excessivement longues, elle ne viole pas réellement la loi des surfaces à court terme. Mais cette contradiction contrarie tout de même fortement les physiciens : « Statistiquement, sur une longue période, la loi est violée », souligne Isi. Le spécialiste fait l’analogie avec une casserole d’eau bouillante : « Si vous vous limitez à regarder l’eau qui disparaît à l’intérieur, vous pourriez être tenté de dire que l’entropie de la casserole diminue. Mais si vous considérez aussi la vapeur, votre entropie globale a augmenté. C’est la même chose avec les trous noirs et le rayonnement de Hawking ».

La confirmation de la loi des surfaces suggère que les propriétés des trous noirs renferment des indices importants concernant les lois cachées qui régissent l’Univers. Les chercheurs envisagent à présent de recueillir les données de davantage d’ondes gravitationnelles pour améliorer leur compréhension de ces objets fascinants et mystérieux. « Je suis obsédé par ces objets en raison de leur paradoxe. Ils sont extrêmement mystérieux et déroutants, mais en même temps, nous savons qu’ils sont les objets les plus simples qui existent », a déclaré Isi.

L’objectif étant de comprendre la source de la contradiction entre les deux théories — loi des surfaces, et plus globalement relativité générale, et mécanique quantique — pour aboutir peut-être à une nouvelle forme de physique.

Source : Physical Review Letters, M. Isi et al.