Le rayonnement de Hawking recréé et conforté en laboratoire

En 1974, dans le cadre de la thermodynamique des trous noirs, le physicien Stephen Hawking démontre que les trous noirs émettent un rayonnement de type corps noir. Plus précisément, au niveau de l’horizon des événements, les fluctuations du vide quantique piégées dans le champ gravitationnel du trou noir donnent lieu à un phénomène d’évaporation progressif de ce dernier. Bien que jusqu’à maintenant le rayonnement de Hawking n’ait jamais été observé expérimentalement, des scientifiques ont réussi à reproduire un analogue (encore une fois) du phénomène en laboratoire.

Cette prouesse a été réalisée par des physiciens israéliens du Weizmann Institute of Science. Les analogues sont des expériences permettant de reproduire un phénomène physique similaire. Ils peuvent être élaborés à partir d’objets produisant des ondes, telles que des ondes fluides et sonores dans un réservoir spécial, des condensats de Bose-Einstein ou de la lumière voyageant dans une fibre optique.

« Le rayonnement de Hawking est un phénomène beaucoup plus général qu’on ne le pensait à l’origine » explique le physicien Ulf Leonhardt. « Cela peut arriver chaque fois que des horizons d’événements sont créés, que ce soit en astrophysique ou pour la lumière dans des matériaux optiques, des vagues d’eau ou des atomes ultra-froids ».

Bien que ces phénomènes ne miment pas physiquement les effets gravitationnels exacts d’un trou noir, les mathématiques impliquées sont analogues à celles décrivant les trous noirs sous la relativité générale. Dans leur expérience, les chercheurs ont choisi un système de fibre optique mis au point par Leonhardt il y a quelques années.

La fibre optique présente des micro-motifs à l’intérieur et sert de conduit. En entrant dans la fibre, la lumière ralentit un tout petit peu. Pour créer un analogue d’horizon d’événement, deux impulsions ultra-rapides de lumière laser de couleur différente sont envoyées dans la fibre. La première interfère avec la seconde, donnant lieu à un effet d’horizon des événements, observable sous forme de modifications de l’indice de réfraction de la fibre.

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L’équipe a ensuite utilisé une source lumineuse supplémentaire sur ce système, ce qui a entraîné une augmentation du rayonnement avec une fréquence négative. En d’autres termes, la lumière « négative » tirait son énergie de « l’horizon des événements » — une signature du rayonnement de Hawking stimulé. Les résultats ont été publiés dans la revue Physical Review Letters.

L’émission stimulée correspond exactement à son nom : une émission qui nécessite un stimulus électromagnétique externe. Tandis que le rayonnement de Hawking émanant d’un trou noir serait spontané et non stimulé. Les expériences de rayonnement de Hawking stimulé posent d’autres problèmes. En effet, elles sont rarement sans ambiguïté, car il est impossible de recréer avec précision dans le laboratoire les conditions autour d’un véritable horizon des événements.

Avec cette expérience, par exemple, il est difficile d’être sûr à 100% que l’émission n’a pas été créée par une amplification du rayonnement normal, même si Leonhardt et son équipe sont convaincus que leur expérience a effectivement produit le rayonnement de Hawking. Cela reste une véritable prouesse qui a également apporté son lot de questions, le résultat obtenu ne correspondant pas aux prédictions.

« Nos calculs numériques prédisent un rayonnement de Hawking beaucoup plus fort que celui que nous avons vu. Nous prévoyons d’enquêter sur cette affaire. Mais nous sommes ouverts à toutes surprises et resterons nos pires critiques » conclut Leonhardt.

Source : Physical Review Letters