Une nouvelle façon de confirmer l’idée de Hawking selon laquelle les trous noirs émettent des radiations

Rien ne peut échapper à un trou noir. La relativité générale est très claire sur ce point. Traversez l’horizon des événements d’un trou noir et vous êtes perdu à jamais pour l’univers. Sauf que ce n’est pas tout à fait vrai. C’est vrai selon la théorie d’Einstein, mais la relativité générale est un modèle classique. Il ne tient pas compte des aspects quantiques de la nature. Pour cela, vous auriez besoin d’une théorie quantique de la gravité, que nous n’avons pas. Mais nous avons quelques idées sur certains des effets de la gravité quantique, et l’un des plus intéressants est le rayonnement de Hawking.

Une façon d’étudier la gravité quantique consiste à examiner comment les objets quantiques pourraient se comporter dans un espace courbe. Typiquement dans la théorie quantique, nous supposons que l’espace est un arrière-plan fixe et plat. La relativité restreinte s’applique toujours, mais pas la relativité générale. Fondamentalement, nous ignorons simplement la gravité car ses effets sont si minimes. Cela fonctionne très bien pour des choses comme les atomes dans la gravité terrestre. Mais la mécanique quantique autour de l’horizon des événements d’un trou noir est très différente.

Hawking n’a pas été le premier à étudier les effets quantiques des trous noirs, mais il a montré que les horizons des événements sont immuables. Si un objet quantique était lié à jamais par un trou noir, nous saurions avec une certitude absolue où se trouve l’objet. Mais les systèmes quantiques sont flous et il y a toujours une incertitude quant à leur emplacement. On pourrait dire que l’objet quantique est Probablement dans le trou noir, il y a une petite chance que ce ne soit pas le cas. Cela signifie qu’au fil du temps, les objets peuvent tunnel quantique au-delà de l’horizon des événements et s’échapper. Cela fait perdre un peu de masse au trou noir, et moins un trou noir a de masse, plus les objets quantiques peuvent s’échapper facilement.

Ainsi, les trous noirs peuvent émettre une faible énergie grâce au rayonnement de Hawking. Ce qui est intéressant à ce sujet, c’est que les effets relient les trous noirs à la thermodynamique. Puisque les trous noirs émettent de la lumière, ils ont donc une température. À partir de ce simple fait, les physiciens ont développé la théorie de la thermodynamique des trous noirs, qui nous aide à comprendre, entre autres, ce qui se passe lorsque les trous noirs fusionnent.

Comment étudier les trous noirs simulés. Crédit : Anthony Brady, Université de l’Arizona

C’est génial, mais le problème est que nous n’avons jamais observé le rayonnement de Hawking. La plupart des physiciens pensent que cela se produit, mais nous ne pouvons pas le prouver. Et étant donné (théoriquement) à quel point le rayonnement de Hawking est faible et à quelle distance se trouvent même les trous noirs les plus proches, nous ne détecterons probablement pas le rayonnement de Hawking dans un avenir prévisible. Ainsi, les scientifiques se penchent plutôt sur des systèmes analogiques tels que des tourbillons d’eau ou des systèmes optiques qui ont des propriétés semblables à celles de l’horizon.

Une étude récente en Lettres d’examen physique se penche sur les analogues de trous noirs optiques et a trouvé un effet intéressant du rayonnement de Hawking. Une façon de simuler des trous noirs consiste à créer un paquet de lumière contraint dans un matériau optique non linéaire. Le matériau agit comme une sorte de porte à sens unique, de sorte que les photons ne peuvent entrer dans le paquet que dans une seule direction (comme la nature unidirectionnelle d’un horizon d’événement de trou noir). De l’autre côté du paquet, les photons ne peuvent que sortir, ce qui s’apparente à un hypothétique trou blanc. Le système optique modélise donc un couple trou noir / trou blanc.

L’équipe a utilisé des simulations informatiques pour étudier ce qui se passerait lorsqu’un système quantique traverserait la paire simulée. Ils ont découvert que la paire pouvait être utilisée pour créer un effet quantique connu sous le nom d’intrication. Lorsque deux particules sont créées en tant que paire quantique, elles sont intriquées, ce qui signifie qu’une interaction avec une particule affecte également l’autre. Nous pensons que lorsque des particules s’échappent d’un trou noir via le rayonnement de Hawking, elles le font sous forme de paires intriquées. Selon ces derniers travaux, le couple trou noir/trou blanc simulé peut être utilisé pour modifier l’intrication d’un système qui le traverse. Le système peut même être réglé pour que l’enchevêtrement soit renforcé ou affaibli.

Ce travail soutient l’idée que le rayonnement de Hawking se produit dans des paires intriquées, mais il montre également comment l’intrication pourrait être modifiée expérimentalement, ce qui serait très utile pour d’autres recherches, telles que la théorie de l’information et l’informatique quantique. L’étape suivante consiste à réaliser ce type d’expérience en laboratoire. Si cela fonctionne comme prévu, nous pourrions avoir une nouvelle façon puissante d’étudier les systèmes quantiques.

Référence: Agullo, Ivan, Anthony J. Brady et Dimitrios Kranas. “Aspects quantiques du rayonnement de Hawking stimulé dans une paire de trous blancs-noirs analogiques optiques.” Lettres d’examen physique 128.9 (2022) : 091301.

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