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Le rayonnement prédit par Stephen Hawking reste hors de portée des télescopes. En recréant un horizon avec des impulsions lumineuses, des physiciens ont toutefois mesuré sa rétroaction analogue. Leur expérience, publiée dans Nature, révèle un échange d’énergie plus direct que prévu.
Le rayonnement imaginé par Hawking pose encore une question centrale sur l’énergie des trous noirs
En 1974, Stephen Hawking montre que les trous noirs ne devraient pas rester parfaitement noirs. Des phénomènes quantiques près de leur horizon produiraient un faible rayonnement thermique. En emportant de l’énergie, ce rayonnement de Hawking conduirait progressivement le trou noir à s’évaporer.
Cependant, aucun télescope n’a encore détecté ce signal autour d’un trou noir astrophysique. Son intensité attendue reste extrêmement faible. Selon les chercheurs, il pourrait même demeurer impossible à distinguer des autres rayonnements présents dans l’Univers, notamment du fond cosmologique.
La difficulté ne concerne pas seulement l’observation du rayonnement. Les physiciens cherchent aussi à comprendre comment le trou noir lui transfère de l’énergie. Cette réaction du système émetteur, appelée rétroaction, joue un rôle essentiel dans toute description détaillée de son évaporation.
Des impulsions laser recréent un horizon des événements à l’intérieur d’une fibre optique
Pour étudier cette physique en laboratoire, les chercheurs construisent des systèmes soumis à des équations comparables. Des écoulements d’eau, des condensats de Bose-Einstein ou certains dispositifs atomiques peuvent ainsi former un horizon analogue, sans produire la gravité extrême d’un trou noir réel.
Dans la fibre utilisée ici, une puissante impulsion laser modifie localement l’indice de réfraction par effet Kerr. Cette perturbation se déplace avec elle. À son front, la vitesse d’une seconde lumière peut rejoindre celle de l’impulsion, ce qui crée l’équivalent optique d’un horizon des événements.
Le déplacement de l’impulsion révèle un échange d’énergie plus direct que les modèles attendus
L’équipe conduite par Lorenzo M. Procopio, de l’Université de Paderborn et de l’Institut Weizmann des Sciences, a étudié un rayonnement stimulé. Elle cherchait surtout son effet sur l’impulsion pompe, celle qui façonne l’horizon optique dans la fibre.
Les mesures montrent un léger décalage Doppler de cette impulsion. Ce changement traduit une perte d’énergie associée à la production du rayonnement analogue. Les chercheurs disposent ainsi de preuves expérimentales et théoriques de la rétroaction exercée sur le champ qui porte l’horizon.
Jusqu’ici, les modèles décrivaient cette émission comme le résultat d’une succession complexe d’interactions non linéaires. Les nouvelles données soutiennent plutôt un processus unique et direct. Une interaction biquadratique entre les champs suffit à rendre compte du rayonnement observé et de sa rétroaction.
Cette expérience éclaire le mécanisme d’émission sans reproduire l’évaporation d’un trou noir réel
Le résultat concerne un analogue optique et non un objet astrophysique. La fibre ne reproduit ni toute la géométrie d’un trou noir ni l’ensemble de ses effets gravitationnels. Les auteurs proposent donc de rechercher le même mécanisme dans d’autres horizons de laboratoire avant toute généralisation.
Cette piste pourrait néanmoins affiner les modèles microscopiques de l’évaporation. Elle touche aussi au paradoxe de l’information, qui demande ce que deviennent les informations absorbées lorsque le trou noir disparaît. L’expérience ne résout pas ce problème, mais précise comment l’énergie pourrait quitter un système doté d’un horizon.
Par Eric Rafidiarimanana, le
Catégories: Sciences physiques