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En utilisant une chaîne d’atomes en file indienne pour simuler l’horizon des événements d’un trou noir, une équipe de physiciens a observé l’équivalent du rayonnement de Hawking : des particules nées des perturbations des fluctuations quantiques causées par la rupture de l’espace-temps autour du trou noir.
Le rayonnement de Hawking
Les trous noirs, qui font partie des objets les plus étranges et extrêmes de l’Univers, se révèlent si incroyablement denses qu’à partir d’une certaine distance de leur coeur, connue sous le nom d’horizon des évènements et dépendant de la masse du monstre cosmique, rien ne peut échapper à leur intense attraction gravitationnelle, pas même la lumière. Par conséquent, lorsqu’un objet franchit sa limite, nous ne pouvons qu’imaginer ce qui se produit.
Toutefois, en 1974, Stephen Hawking a proposé que les interruptions des fluctuations quantiques causées par l’horizon des événements entraînaient un type de rayonnement très similaire au rayonnement thermique. Si ce dernier existe, il se révèle bien trop faible pour que nous puissions le détecter directement, mais il est possible de sonder ses propriétés en créant des analogues de trous noirs en laboratoire.
Dans le cadre de travaux publiés dans la revue Physical Review Research, Lotte Mertens et ses collègues de l’université d’Amsterdam ont utilisé une chaîne unidimensionnelle d’atomes, offrant aux électrons la possibilité de passer d’une position à une autre. En contrôlant la facilité avec laquelle ces sauts pouvaient se produire, les physiciens ont pu faire disparaître certaines propriétés, créant ainsi une sorte d’horizon des événements interférant avec la nature ondulatoire des électrons.
L’équipe a observé une augmentation de la température correspondant aux attentes théoriques pour un analogue de trou noir, mais uniquement lorsqu’une partie de la chaîne s’étendait au-delà de l’horizon des événements, ce qui semble indiquer que l’enchevêtrement des particules qui le chevauchent contribue à générer le rayonnement de Hawking.
Des implications potentielles majeures
Le rayonnement de Hawking simulé n’était thermique que pour une certaine gamme d’amplitudes de saut, et dans des simulations impliquant un type d’espace-temps « plat », ce qui suggère que cette caractéristique est liée à un changement dans la déformation de l’espace-temps due à la gravité.
Ces observations pourraient contribuer à rapprocher deux cadres actuellement inconciliables pour décrire l’Univers : la théorie générale de la relativité, qui décrit le comportement de la gravité comme un champ continu appelé espace-temps, et la mécanique quantique, qui utilise les probabilités mathématiques pour caractériser celui de particules infimes.
« Ce modèle, pouvant être mis dans un large éventail de dispositifs expérimentaux, offre un moyen d’étudier l’émergence du rayonnement de Hawking au sein d’un environnement n’étant pas influencé par la dynamique de formation sauvage d’un trou noir », souligne Mertens. « Cela ouvre la voie à l’exploration des aspects fondamentaux de la mécanique quantique, de la gravité et des espaces courbes dans divers contextes de matière condensée. »