En 1974, Stephen Hawking a fait l'une de ses prédictions les plus célèbres: que les trous noirs finissent par s'évaporer complètement.
Selon la théorie de Hawking, les trous noirs ne sont pas parfaitement "noirs" mais émettent en fait des particules. Ce rayonnement, selon Hawking, pourrait éventuellement siphonner suffisamment d'énergie et de masse loin des trous noirs pour les faire disparaître. La théorie est largement supposée être vraie mais était autrefois considérée comme presque impossible à prouver.
Pour la première fois, cependant, les physiciens ont montré ce rayonnement de Hawking insaisissable - au moins dans un laboratoire. Bien que le rayonnement de Hawking soit trop faible pour être détecté dans l'espace par nos instruments actuels, les physiciens ont maintenant vu ce rayonnement dans un analogue de trou noir créé à l'aide d'ondes sonores et d'une partie de la matière la plus froide et la plus étrange de l'univers.
Paires de particules
Les trous noirs exercent une force gravitationnelle si puissante que même un photon, qui se déplace à la vitesse de la lumière, ne peut pas s'échapper. Alors que le vide de l'espace est généralement considéré comme vide, l'incertitude de la mécanique quantique dicte qu'un vide regorge de particules virtuelles qui flottent dans et hors de l'existence dans des paires matière-antimatière. (Les particules d'antimatière ont la même masse que leurs homologues de matière, mais une charge électrique opposée.)
Normalement, après l'apparition d'une paire de particules virtuelles, elles s'anéantissent immédiatement. À côté d'un trou noir, cependant, les forces de gravité extrêmes séparent les particules, une particule étant absorbée par le trou noir tandis que l'autre s'envole dans l'espace. La particule absorbée a une énergie négative, ce qui réduit l'énergie et la masse du trou noir. Avalez suffisamment de ces particules virtuelles et le trou noir finit par s'évaporer. La particule qui s'échappe devient connue sous le nom de rayonnement Hawking.
Ce rayonnement est suffisamment faible pour qu'il nous soit impossible pour l'instant de l'observer dans l'espace, mais les physiciens ont imaginé des moyens très créatifs de le mesurer dans un laboratoire.
Un horizon d'événement en cascade
Le physicien Jeff Steinhauer et ses collègues du Technion - Israel Institute of Technology à Haïfa ont utilisé un gaz extrêmement froid appelé condensat de Bose-Einstein pour modéliser l'horizon des événements d'un trou noir, la frontière invisible au-delà de laquelle rien ne peut s'échapper. Dans un flux de ce gaz, ils ont placé une falaise, créant une "cascade" de gaz; lorsque le gaz a traversé la cascade, il a transformé suffisamment d'énergie potentielle en énergie cinétique pour circuler plus rapidement que la vitesse du son.
Au lieu de particules de matière et d'antimatière, les chercheurs ont utilisé des paires de phonons, ou ondes sonores quantiques, dans le flux de gaz. Le phonon du côté lent pourrait se déplacer contre l'écoulement du gaz, loin de la cascade, tandis que le phonon du côté rapide ne pourrait pas, piégé par le "trou noir" du gaz supersonique.
"C'est comme si vous essayiez de nager contre un courant qui allait plus vite que vous ne pouviez nager", a déclaré Steinhauer à Live Science. "Vous auriez l'impression d'aller de l'avant, mais vous reveniez vraiment en arrière. Et c'est analogue à un photon dans un trou noir essayant de sortir du trou noir mais tiré par la gravité dans le mauvais sens."
Hawking a prédit que le rayonnement des particules émises serait dans un spectre continu de longueurs d'onde et d'énergies. Il a également déclaré qu'il pouvait être décrit par une seule température qui ne dépendait que de la masse du trou noir. L'expérience récente a confirmé ces deux prédictions dans le trou noir sonore.
"Ces expériences sont un tour de force", a expliqué Renaud Parentani, physicien théoricien au Laboratoire de Physique Théorique de l'Université Paris-Sud. Parentani étudie également les trous noirs analogiques mais sous un angle théorique; il n'était pas impliqué dans la nouvelle étude. "C'est une expérience très précise. Du côté expérimental, Jeff est vraiment, en ce moment, le plus grand expert mondial de l'utilisation des atomes froids pour sonder la physique des trous noirs."
Parentani a toutefois souligné que cette étude est "une étape dans un long processus". En particulier, cette étude n'a pas montré que les paires de phonons étaient corrélées au niveau quantique, ce qui est un autre aspect important des prédictions de Hawking.
"L'histoire va continuer", a déclaré Parentani. "Ce n'est pas du tout la fin."
