Des scientifiques "prennent la température" d'un trou noir pour la première fois

Des expériences de labo arrivent à simuler un phénomène prédit par Stephen Hawking.

« Prendre la température » d'un trou noir apparaît comme une tâche impossible. Pourtant, des physiciens ont mesuré pour la première fois la température d'un trou noir sonique fabriqué en laboratoire, qui piège le son au lieu de la lumière.

Un résultat qui confirme les prédictions d'Hawking

Si le résultat est crédible, cela confirmera une prédiction de Stephen Hawking, qui avait par le passé proposé une vérité surprenante sur les trous noirs : ils ne sont pas vraiment noirs. Au lieu de ça, un flux (relativement petit) de particules se décolle des alentours de chaque trou noir à une température qui dépend de son ampleur. Appelée radiation de Hawking, elle est trop faible pour être observée au sein de vrais trous noirs, mais les physiciens ont repéré des indices d'un rayonnement similaire émis par des analogues de trous noirs créés au laboratoire.

Dans la nouvelle étude, la température du trou noir sonique correspond à celle prédite par la théorie de Hawking, rapporte l'équipe dans le numéro Nature du 30 mai : « C'est une étape très importante », a déclaré le physicien Ulf Leonhardt de l'Institut Weizmann des sciences de Rehovot, en Israël, qui n'a pas participé à l'étude. « C'est nouveau dans tout le domaine. Personne n'a jamais fait une telle expérience auparavant ».

Les chercheurs ont utilisé des atomes de rubidium refroidis dans un état connu sous le nom de condensat de Bose-Einstein, et les ont fait flotter. Semblables à la lumière piégeant la gravité d'un trou noir, les atomes qui s'écoulent empêchent les ondes sonores de s'échapper, comme un kayakiste ramant à contre-courant d'un flux trop fort pour être maîtrisé. Des expériences précédentes avec cette configuration ont montré des signes de rayonnement d'Hawking, mais il n'était pas encore possible de mesurer sa température.

Le rayonnement d'Hawking provient de paires de particules quantiques qui apparaissent constamment partout et ce, même dans un espace vide. Normalement, ces particules s'annulent immédiatement. Mais au bord d'un trou noir, si une particule tombe à l'intérieur, l'autre pourrait s'échapper, entraînant ce fameux rayonnement. Une situation similaire se produit dans le trou noir : des paires d'ondes sonores appelées phonons peuvent apparaître, l'une tombant et l'autre s'échappant.

Les mesures des phonons qui se sont échappés et de ceux qui sont tombés ont permis aux chercheurs d'estimer la température, à 0,35 milliardième de kelvin. « Nous sommes tombés d'accord avec les prédictions de la théorie de Hawking », a déclaré le physicien Jeff Steinhauer de l'Institut de technologie Technion-Israel à Haïfa.

L'étude du rayonnement de Hawking

Le résultat est également en accord avec la prédiction de Hawking selon laquelle le rayonnement serait thermique - ce qui signifie que l'énergie des particules aurait une distribution semblable à celle de la lueur émise par un objet chaud, telle que la lumière rougeâtre d'un poêle électrique lorsqu'il chauffe.

Après que Hawking a proposé sa théorie, cette propriété thermique prédite du rayonnement a conduit à une énigme, appelée black hole information paradox. En mécanique quantique, l'information ne peut jamais être détruite, mais les particules sortant des trous noirs saperaient lentement sa masse et, sur une longue période, le trou noir se rétrécirait dans le néant.

Cela signifie que les informations « tombées » dans le trou noir (sous forme de particules, ou autres) ne seraient plus contenues dans celui-ci. Et si le rayonnement de Hawking est thermique, l'information n'aurait pas pu être emportée par les particules en fuite. Les particules émises ne peuvent pas être distinguées de celles émises par un objet banal avec une température donnée, ou même par un trou noir différent de la même masse. Cela suggère que des informations peuvent être perdues lorsqu'un trou noir s'évapore, ce qui constitue en soi une « violation » de la mécanique quantique.

On ignore si la nouvelle étude pourrait aider les scientifiques à résoudre ce paradoxe : il faudra probablement trouver une nouvelle théorie combinant gravitation et mécanique quantique, tâche qui constitue l'un des plus grands problèmes en suspens. Mais cette théorie ne s'appliquerait pas aux trous noirs soniques, car ils ne sont pas créés par la gravité. « La solution à ce paradoxe réside dans la physique d'un véritable trou noir, et non dans la physique d'un trou noir analogique », a déclaré Steinhauer.

Source : Science News