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L’analogue de trou noir développé en laboratoire se comporte exactement comme Stephen Hawking l’a dit

En 1974, Stephen Hawking a émis l’hypothèse que les mastodontes gravitationnels les plus sombres de l’univers, les trous noirs, n’étaient pas les avaleurs d’étoiles noires imaginées par les astronomes, mais qu’ils émettaient spontanément de la lumière – un phénomène maintenant appelé le rayonnement de Hawking.

Le problème est qu’aucun astronome n’a jamais observé le rayonnement mystérieux de Hawking, et comme il est prévu qu’il soit très faible, ils ne le feront peut-être jamais. C’est pourquoi les scientifiques créent aujourd’hui leur propre trous noirs.

C’est exactement ce que les chercheurs du Technion-Israel Institute of Technology ont fait. Ils ont créé un analogue de trou noir sur quelques milliers les atomes. Ils essayaient de confirmer deux des prédictions les plus importantes de Hawking, que le rayonnement de Hawking provient de rien et qu’il ne change pas d’intensité avec le temps, ce qui signifie qu’il est stationnaire.

« Un trou noir est censé rayonner comme un corps noir, qui est essentiellement un objet chaud qui émet une constante rayonnement infrarouge», a déclaré à Phys.org le co-auteur de l’étude Jeff Steinhauer, professeur agrégé de physique au Technion-Israel Institute of Technology.« Hawking a suggéré que les trous noirs sont comme des étoiles régulières, qui émettent un certain type de rayonnement tout le temps, constamment. C’est ce que nous voulions confirmer dans notre étude, et nous l’avons fait. « 

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L’horizon des événements

Le la gravité d’un trou noir est si puissant que même la lumière ne peut pas échapper à sa prise, une fois qu’un photon, ou particule de lumière, traverse au-delà de son point de non-retour, appelé le horizon des événements. Pour échapper à cette frontière, une particule devrait enfreindre les lois de la physique et voyager plus vite que la vitesse de la lumière.

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Hawking a montré que bien que rien de ce qui traverse l’horizon des événements ne puisse s’échapper, les trous noirs peuvent encore émettre spontanément de la lumière à partir de la frontière, grâce à la mécanique quantique et à quelque chose appelé «particules virtuelles».

Comme l’explique Heisenberg’s principe incertain, même le vide complet de l’espace regorge de paires de particules «virtuelles» qui apparaissent et disparaissent de l’existence. Ces particules fugaces aux énergies opposées s’annihilent généralement presque immédiatement. Mais en raison de l’extrême attraction gravitationnelle à l’horizon d’un événement, Hawking a suggéré que des paires de photons pourraient être séparées, une particule étant absorbée par le trou noir et l’autre s’échappant dans l’espace. Le photon absorbé a une énergie négative et soustrait l’énergie sous forme de masse du trou noir, tandis que le photon échappé devient un rayonnement de Hawking. À partir de cela seul, avec suffisamment de temps (beaucoup plus long que l’âge de l’univers), un trou noir pourrait complètement s’évaporer.

« La théorie de Hawking était révolutionnaire car il combinait la physique de la théorie quantique des champs avec des relativité, « La théorie d’Einstein qui décrit comment la matière se déforme espace-temps, A déclaré Steinhauer à 45Secondes.fr. «Cela aide encore les gens à rechercher de nouvelles lois de la physique en étudiant la combinaison de ces deux théories dans un exemple physique. Les gens aimeraient vérifier ce rayonnement quantique, mais c’est très difficile avec un vrai trou noir car le rayonnement de Hawking est si faible comparé au rayonnement de fond de l’espace. « 

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Ce problème a inspiré Steinhauer et ses collègues à créer leur propre trou noir – un plus sûr et beaucoup plus petit que la vraie affaire.

DIY trou noir

Le trou noir cultivé en laboratoire des chercheurs était constitué d’un gaz en circulation d’environ 8000 rubidium atomes refroidis à presque zéro absolu et maintenus en place par un faisceau laser. Ils ont créé un état mystérieux de la matière, connu sous le nom de Condensat Bose-Einstein (BEC), qui permet à des milliers d’atomes d’agir ensemble à l’unisson comme s’il s’agissait d’un seul atome.

À l’aide d’un deuxième faisceau laser, l’équipe a créé une falaise de énergie potentielle, qui a fait couler le gaz comme de l’eau dévalant une cascade, créant ainsi un horizon d’événement où la moitié du gaz s’écoulait plus vite que le vitesse du son, l’autre moitié plus lentement. Dans cette expérience, l’équipe recherchait des paires de phonons, ou ondes de sons quantiques, au lieu de paires de photons, se formant spontanément dans le gaz.

Un phonon sur la moitié la plus lente pouvait se déplacer à contre-courant du gaz, loin de la falaise, tandis que le phonon sur la moitié la plus rapide était piégé par la vitesse du gaz supersonique, a expliqué Steinhauer. «C’est comme essayer de nager contre un courant plus rapide que vous ne pouvez nager. [That’s] tout comme être dans un trou noir, une fois à l’intérieur, il est impossible d’atteindre l’horizon. « 

Une fois qu’ils ont trouvé ces paires de phonons, les chercheurs ont dû confirmer si elles étaient corrélées et si le rayonnement de Hawking restait constant dans le temps (s’il était stationnaire). Ce processus était délicat car chaque fois qu’ils prenaient une photo de leur trou noir, celle-ci était détruite par la chaleur créée au cours du processus. L’équipe a donc répété son expérience 97 000 fois, prenant plus de 124 jours de mesures continues afin de trouver les corrélations. En fin de compte, leur patience a porté ses fruits.

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« Nous avons montré que le rayonnement de Hawking était stationnaire, ce qui signifie qu’il n’a pas changé avec le temps, ce qui est exactement ce que Hawking a prédit », a déclaré Steinhauer.

Les chercheurs ont détaillé leurs conclusions le 4 janvier dans la revue Physique de la nature.

Publié à l’origine sur 45Secondes.fr.

Note de l’éditeur: cet article a été mis à jour pour inclure « analogique » dans le titre pour s’assurer que les lecteurs sont conscients que l’expérience a été réalisée avec un analogue d’un trou noir, pas un trou noir réel. L’article a également été mis à jour pour noter que la première citation a été rapportée à Phys.org, ce n’était pas dans un communiqué de presse.

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