Des scientifiques ont observé le rayonnement de Hawking dans un trou noir artificiel

Les trous noirs sont des régions de l'espace où la gravité est très forte - à tel point que rien ne peut y pénétrer. Les prédictions théoriques suggèrent qu'il existe un rayon autour des trous noirs connu sous le nom d'horizon des événements. Une fois que quelque chose passe à travers l'horizon des événements, il ne peut plus s'échapper du trou noir, car la gravité devient plus forte à mesure qu'elle se rapproche de son centre.

Le physicien théorique Stephen Hawking a prédit que même si rien ne peut leur échapper, les trous noirs émettent spontanément une quantité limitée de lumière, connue sous le nom de rayonnement de Hawking. Selon ses prédictions, ce rayonnement est spontané (c'est-à-dire, provient de rien) et stationnaire (c'est-à-dire que son intensité ne change pas beaucoup avec le temps).

Des scientifiques de l'Institut israélien de technologie ont récemment mené des recherches visant à tester les prédictions théoriques de Hawking. Plus précisément, ils ont cherché à savoir si l'équivalent du rayonnement de Hawking dans un «trou noir artificiel» créé en laboratoire était stationnaire.

«Si vous entrez dans l'horizon des événements, vous ne pouvez pas sortir de là, c'est vrai même de la lumière», a déclaré Jeff Steinhower, l'un des chercheurs. - Le rayonnement Hawking commence juste en dessous de l'horizon des événements, où la lumière peut à peine s'échapper. C'est vraiment bizarre parce qu'il n'y a rien là-bas; c'est un espace vide. Et pourtant ce rayonnement vient de rien, sort et est dirigé vers la Terre. "

Le trou noir artificiel créé par Steinhower et ses collègues mesurait environ 0,1 millimètre de long et se composait d'un gaz composé de 8 000 atomes de rubidium, ce qui est un nombre relativement petit d'atomes. Chaque fois que les chercheurs ont pris une photo, le trou noir s'est effondré. Pour observer son évolution dans le temps, ils ont dû créer un trou noir, le photographier, puis en créer un autre. Ce processus a été répété plusieurs fois sur plusieurs mois.

Le rayonnement de Hawking de ce trou noir analogue est constitué d'ondes sonores et non de lumière. Les atomes de rubidium se déplacent plus rapidement que la vitesse du son, de sorte que les ondes sonores ne peuvent pas atteindre l'horizon des événements et s'échapper du trou noir. Cependant, en dehors de l'horizon des événements, le gaz s'écoule lentement, de sorte que les ondes sonores peuvent se déplacer librement.

«Le rubidium coule rapidement, plus vite que la vitesse du son, ce qui signifie que le son ne peut pas aller à contre-courant», explique Steinhauer. - Disons que vous essayez de nager à contre-courant. Si ce courant circule plus vite que vous ne pouvez nager, alors vous ne pouvez pas avancer, vous reculez, car le flux se déplace trop vite et dans la direction opposée, donc vous êtes coincé. C'est ce que cela signifie d'être coincé dans un trou noir et d'essayer d'atteindre l'horizon des événements de l'intérieur. "

Selon les prévisions de Hawking, le rayonnement émis par les trous noirs est spontané. Dans l'une de leurs études précédentes, les scientifiques ont pu confirmer cette prédiction dans leur trou noir artificiel. Dans leur nouvelle étude, ils ont cherché à savoir si le rayonnement émis par leur trou noir est également stationnaire (c'est-à-dire s'il reste constant dans le temps).

«Le trou noir est censé rayonner comme un corps noir, qui est essentiellement un objet chaud qui émet un rayonnement infrarouge constant (c'est-à-dire un rayonnement du corps noir)», a déclaré Jeff Steinhower. Hawking a suggéré que les trous noirs sont comme des étoiles ordinaires, qui émettent constamment un certain type de rayonnement. C'est ce que nous voulions confirmer dans nos recherches, et nous l'avons fait.

Le rayonnement de Hawking est constitué de paires de photons (c'est-à-dire de particules de lumière): l'un sort du trou noir et l'autre y retombe. Dans un effort pour identifier le rayonnement Hawking émis par le trou noir analogique qu'ils ont créé, les scientifiques ont recherché des paires d'ondes sonores similaires, l'une émergeant du trou noir et l'autre se déplaçant à l'intérieur. En identifiant ces paires d'ondes sonores, les chercheurs ont tenté de déterminer s'il existait des soi-disant corrélations entre elles.

«Nous avons dû collecter beaucoup de données pour voir ces corrélations», a déclaré Jeff Steinhower. «Nous avons donc fait 97 000 répétitions de l'expérience; un total de 124 jours de mesure continue. »

Dans l'ensemble, les résultats obtenus semblent confirmer que le rayonnement émis par les trous noirs est stationnaire, comme le prédit Hawking. Bien que ces résultats s'appliquent principalement à un trou noir analogique qui a été créé artificiellement, des études théoriques peuvent aider à confirmer s'ils peuvent également être appliqués à de vrais trous noirs.

Notre recherche soulève également des questions importantes, car nous avons observé un trou noir analogique toute la vie, ce qui signifie que nous avons également vu comment le rayonnement Hawking a commencé », a déclaré Jeff Steinhower. Des recherches futures pourraient essayer de comparer nos résultats avec des prédictions de ce qui se passera dans un vrai trou noir pour voir si le vrai rayonnement Hawking part de rien et s'accumule ensuite, comme nous l'avons observé.

À un moment donné au cours des expériences des chercheurs, le rayonnement entourant leur homologue du trou noir est devenu très fort lorsque le trou noir a formé ce que l'on appelle l'horizon intérieur. En plus de l'horizon des événements, la théorie générale de la relativité d'Einstein prédit l'existence d'un horizon intérieur, un rayon à l'intérieur des trous noirs qui délimite une autre région plus proche de son centre.

Dans la région à l'intérieur de l'horizon intérieur, l'attraction gravitationnelle est beaucoup plus faible, de sorte que les objets peuvent se déplacer librement et ne sont plus attirés vers le centre du trou noir. Cependant, ils ne peuvent toujours pas quitter le trou noir car ils ne peuvent pas traverser l'horizon intérieur dans la direction opposée (c'est-à-dire se diriger vers l'horizon des événements).

Fondamentalement, l'horizon des événements est la sphère externe du trou noir, et à l'intérieur se trouve une petite sphère appelée horizon interne », a déclaré Jeff Steinhower. - Si vous passez par l'horizon intérieur, vous serez toujours dans un trou noir, mais au moins vous ne ressentirez pas l'étrange physique d'être dans un trou noir. Vous vous retrouverez dans un environnement plus «normal» car la force de gravité sera plus faible et vous ne la ressentirez plus.

Certains physiciens ont prédit que lorsqu'un trou noir analogique forme un horizon intérieur, le rayonnement qu'il émet devient plus fort. Fait intéressant, c'est exactement ce qui s'est passé dans le trou noir analogique créé par les scientifiques. Ainsi, cette étude pourrait inspirer d'autres physiciens à étudier l'influence de la formation d'un horizon intérieur sur l'intensité du rayonnement de Hawking.