En créant en laboratoire un mini-trou noir à partir de lumière, des physiciens sont parvenus à reproduire un rayonnement de Hawking analogue, le faible rayonnement thermique sous la forme duquel les trous noirs s’évaporeraient au fil du temps. L’expérience aurait également fourni les premiers indices sur le mécanisme de réaction de retour (backreaction) associé à ce type de rayonnement. Les résultats apportent un nouvel éclairage sur un phénomène reliant des domaines de la physique traditionnellement étudiés séparément.
Le rayonnement de Hawking, théorisé dans les années 1970 par le célèbre physicien éponyme, est un phénomène au cours duquel un observateur détecterait un faible rayonnement de corps noir s’échappant de la région proche de l’horizon des événements. Un corps noir est un objet physique absorbant toute énergie électromagnétique qu’il reçoit et la restituant sous la forme d’un rayonnement thermique dit rayonnement du corps noir.
Selon la théorie, ce rayonnement extrêmement ténu ferait s’évaporer très lentement les trous noirs, de sorte qu’ils perdent progressivement de la masse et se réchauffent. À mesure que le processus d’évaporation s’accélère, les trous noirs se rétréciraient jusqu’à exploser et disparaître complètement.
Un phénomène au carrefour des grandes théories de la physique
Le rayonnement de Hawking fait depuis des décennies l’objet de recherches actives, car il combine des domaines de la physique très différents. « Jacob Bekenstein a prédit que les trous noirs possèdent une entropie et une température, et Hawking a calculé le rayonnement thermique du trou noir », a expliqué Ulf Leonhardt, physicien à l’Institut Weizmann des Sciences, en Israël, à Live Science. « Le rayonnement de Hawking-Bekenstein fait converger la physique quantique, la relativité générale et la thermodynamique, des disciplines habituellement difficiles à concilier. »
Ces difficultés expliquent également pourquoi l’étude de ce rayonnement demeure particulièrement complexe. Il n’a encore jamais été détecté directement, car il est beaucoup trop faible pour les instruments actuels. La théorie de Hawking n’a été concrètement prouvée que par le biais d’analogues de trous noirs construits en laboratoire, par exemple à partir d’eau en écoulement, d’atomes ultrafroids ou de lumière.
Dans une étude publiée ce mois-ci dans la revue Nature, Leonhardt et ses collègues sont parvenus à reproduire un rayonnement de Hawking analogue à partir d’un analogue de trou noir créé avec de la lumière. « Nous présentons ici des preuves expérimentales et théoriques du processus de génération du rayonnement de Hawking dans un analogue de l’horizon des événements réalisé par fibre optique », écrivent les chercheurs dans leur étude.
Recréer un horizon des événements grâce à la lumière
Le principe des analogues de trous noirs créés en laboratoire consiste à reproduire les propriétés d’un horizon des événements dans différents systèmes physiques. Dans cette expérience, les chercheurs ont créé un horizon optique dans une fibre, où un front de perturbation lumineux se déplace de telle sorte qu’il empêche certaines ondes lumineuses de le franchir.
« En optique, nous avons besoin d’un matériau qui semble se déplacer à la vitesse de la lumière. Pour cela, nous utilisons la lumière elle-même — en optique non linéaire, la lumière se comporte comme un matériau », explique Leonhardt.
Pour ce faire, l’équipe a injecté une impulsion de « pompe » intense et ultracourte dans une fine fibre optique à cristal photonique, un filament de verre contenant un réseau de minuscules canaux d’air permettant de contrôler avec précision la vitesse de propagation de la lumière. Lorsque la lumière se propage, cette impulsion modifie légèrement l’indice de réfraction du cristal de la fibre, produisant une discontinuité qui se déplace rapidement.
Une seconde impulsion, dite « sonde », beaucoup plus faible, a ensuite été envoyée afin d’entrer en collision avec cette discontinuité. À l’endroit où la sonde ne pouvait plus suivre, un horizon des événements artificiel s’est formé, créant ainsi un analogue de trou noir.
Hawking prédisait que ce rayonnement était créé par paires, l’une des particules s’échappant du trou noir tandis que l’autre, porteuse d’une énergie négative et constituant son image miroir, tomberait dans le trou noir. Dans la fibre optique, cette paire se serait traduite par de la lumière ultraviolette, selon les chercheurs.
« Nous avons compté les photons ultraviolets correspondant aux paires de Hawking situés au-delà de l’horizon [des événements] », a expliqué Leonhardt. « Leur longueur d’onde est d’environ 233 nanomètres. C’était notre signal. » Les chercheurs ont également constaté que la production du rayonnement modifiait légèrement la longueur d’onde d’une petite partie de la lumière émise par l’impulsion de pompe, ce qui produisait une asymétrie.
Par ailleurs, la production du rayonnement aurait exercé une légère pression sur la source qui l’a créé. Dans le système analogue, cet effet correspond à une réaction en retour (backreaction), considérée comme l’analogue du mécanisme par lequel un véritable trou noir perd progressivement de la masse au cours de son évaporation. Il s’agit, d’après les auteurs, de la première expérience à avoir simulé ce processus.
L’expérience a toutefois été réalisée uniquement à l’aide de lasers ordinaires. La prochaine étape sera de passer au quantique. « Nous explorerons comment accéder au régime quantique et observer des phénomènes quantiques tels que l’intrication », conclut Leonhardt.
