Un trou noir recréé en laboratoire confirme une prédiction sur le rayonnement de Hawking

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Atteignant une étape majeure de ses recherches sur la thermodynamique des trous noirs, Stephen Hawking prédit en 1974 l’existence d’un rayonnement issu des fluctuations quantiques du vide aux abords des trous noirs, qui sera ensuite nommé rayonnement de Hawking. Selon ce mécanisme, un trou noir perd progressivement de l’énergie (et donc de la masse) jusqu’à ce qu’éventuellement il finisse par s’évaporer. Cependant, s’il existe, ce rayonnement est si faible qu’il serait pratiquement impossible à détecter. Pour l’étudier, les physiciens créent donc des analogues de trous noirs en laboratoire. Et récemment, des chercheurs ont utilisé cette technique pour confirmer l’une des prédictions de Hawking concernant ce rayonnement.

Des chercheurs du Technion-Israel Institute of Technology ont créé un analogue de trou noir à partir de quelques milliers d’atomes. Ils essayaient de confirmer deux des prédictions les plus importantes de Hawking, à savoir : le neutrons provient du vide quantique et il ne change pas d’intensité avec le temps, ce qui signifie qu’il est stationnaire.

« Un trou noir est censé rayonner comme un corps noir, qui est essentiellement un objet chaud qui émet un rayonnement infrarouge constant. Hawking a suggéré que les trous noirs sont comme des étoiles régulières, qui émettent un certain type de rayonnement constamment. C’est ce que nous voulions confirmer dans notre étude, et nous l’avons fait », indique Jeff Steinhauer, professeur de physique au Technion-Israel Institute of Technology.

Un rayonnement issu des fluctuations quantiques du vide

La gravité d’un trou noir est si puissante que même la lumière ne peut échapper à sa prise une fois qu’un photon franchit son point de non-retour, appelé l’horizon des événements. Pour échapper à cette frontière, une particule devrait enfreindre les lois de la physique et voyager plus vite que la vitesse de la lumière. Hawking a montré que même si rien de ce qui traverse l’horizon des événements ne peut s’échapper, les trous noirs peuvent encore émettre spontanément un rayonnement à leur abord, via les fluctuations quantiques du vide.

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Selon le principe d’indétermination d’Heisenberg sur le temps et l’énergie, le vide fluctue en permanence. Ces fluctuations quantiques génèrent des paires de particule-antiparticules virtuelles. En temps normal, ces paires s’annihilent presque immédiatement, mais aux abords d’un trou noir, la gravité est si intense qu’elle peut séparer la paire avant l’annihilation. Crédits : NASA/M. Weiss

En vertu du principe d’indétermination d’Heisenberg sur le temps et l’énergie, le vide quantique est un chaos bouillonnant de particules virtuelles qui apparaissent et disparaissent en permanence. Ces paires de particule-antiparticules s’annihilent généralement presque immédiatement. Mais en raison de l’extrême attraction gravitationnelle à l’horizon des événements, Hawking a suggéré que des paires de photons pourraient être séparées, une particule étant absorbée par le trou noir et l’autre s’échappant dans l’espace.

Le photon absorbé a une énergie négative et soustrait l’énergie sous forme de masse du trou noir, tandis que le photon échappé devient un rayonnement de Hawking. À partir de cela, avec suffisamment de temps (beaucoup plus que l’âge de l’Univers), un trou noir pourrait complètement s’évaporer.

Un analogue de trou noir pour confirmer la constance du rayonnement de Hawking

Le trou noir recréé en laboratoire était constitué d’un gaz en écoulement d’environ 8000 atomes de rubidium, refroidi au presque zéro absolu et maintenu en place par un faisceau laser. Ils ont ainsi créé un état curieux de la matière, connu sous le nom de condensat de Bose-Einstein (BEC), qui permet à des milliers d’atomes d’agir à l’unisson, comme s’ils étaient un seul atome.

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À l’aide d’un deuxième faisceau laser, l’équipe a créé une crête d’énergie potentielle, ce qui a fait couler le gaz comme de l’eau se précipitant dans une cascade, créant ainsi un horizon des événements où la moitié du gaz s’écoulait plus vite que la vitesse du son, l’autre moitié plus lentement. Dans cette expérience, l’équipe recherchait des paires de phonons (des quasi-particules) au lieu de paires de photons, se formant spontanément dans le gaz.

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Un phonon sur la moitié la plus lente pouvait se déplacer à contre-courant du gaz, loin de la crête, tandis que le phonon sur la moitié la plus rapide était piégé par la vitesse du gaz supersonique. Une fois qu’ils ont trouvé ces paires de phonons, les chercheurs ont dû confirmer si elles étaient corrélées et si le rayonnement de Hawking restait constant dans le temps (s’il était stationnaire). Ce processus était délicat, car chaque fois qu’ils prenaient une image de leur trou noir, celle-ci était détruite par la chaleur créée au cours du processus.

L’équipe a donc répété son expérience 97’000 fois, prenant plus de 124 jours de mesures continues afin de trouver les corrélations. En fin de compte, leur patience a porté ses fruits. « Nous avons montré que le rayonnement de Hawking était stationnaire, ce qui signifie qu’il n’a pas changé avec le temps, ce qui est exactement ce que Hawking a prédit », conclut Steinhauer.

Sources : Nature Physics

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