Les mystérieux objets cosmiques que nous appelons trous noirs ne sont pas vraiment des trous et il se révèle qu’ils ne seraient pas totalement noirs. Selon les résultats d’une expérience publiés cette semaine, Jeff Steinhauer de l’Institut israélien de technologie (Technion) présente la plus consistante preuve expérimentale que de l’énergie peut s’échapper d’un trou noir.

Les trous noirs sont des zones extrêmement denses de l’espace défini par un horizon des événements, une limite au-delà de laquelle rien ne peut s’en échapper, pas même la lumière (d’où le « noir » dans le « trou noir »). La théorie prédit que les trous noirs peuvent être de la taille d’un atome ou des millions de fois plus massifs que le soleil, bien que les plus petits soient assez instables. Aussi étrange et unique qu’ils soient, il y en a des millions dans l’univers, y compris au moins un au centre de chaque galaxie.

Un trou noir et son horizon des évènements (Event Horizon). (M. Weiss/CfA)

Il y a près de 50 ans, le travail du physicien Jacob Bekenstein a motivé l’expert en trou noir Stephen Hawking à observer de plus près la physique théorique régissant les trous noirs. Dans le processus, Hawking a découvert avec surprise que la mécanique quantique permet à une petite quantité d’énergie de s’échapper des trous noirs. Hawking a réalisé qu’au fil du temps cela pourrait rétrécir les trous noirs qui finiraient par s’évaporer.

Vérifier ou exclure ce “rayonnement de Hawking” expérimentalement représente un test important de notre compréhension de l’univers et de son comportement. Son existence répondrait ainsi à quelques questions, mais en soulèverait d’autres.

L’un des plus grands problèmes encore non résolus de la physique est de savoir comment la relativité générale (les lois qui régissent l’immensément grand)  se fond/ s’unifie avec la mécanique quantique (les lois qui régissent l’infiniment petit). Les effets gravitationnels et les effets quantiques se rencontrent dans les trous noirs, ils sont ainsi l’endroit idéal pour les étudier. Cependant, le rayonnement de Hawking qui s’échappe d’un trou noir est si faible que nous ne sommes pas en mesure de le détecter directement, du moins pas encore.

Alors l’idée a germé de construire un trou noir, un système avec des propriétés similaires. La nouvelle expérience implique un système analogue appelé un trou noir acoustique. Ils ne se produisent pas dans la nature, mais ils peuvent être créés à partir d’un fluide dont les flux varient du subsonique au supersonique. L’idée a été proposée en 1981 par William Unruh.

À bien des égards, un trou noir acoustique est similaire à un trou noir cosmique, mais il retient le son au lieu de la matière et de la lumière. Il se trouve que les équations qui décrivent comment la gravité affecte la lumière sont les mêmes qui décrivent comment un fluide en écoulement affecte les phonons, que vous pouvez voir comme une sorte de particule qui rend les ondes sonores.

Comme l’horizon des événements d’un trou noir, celui d’un trou noir acoustique est un point de non-retour. Tous les sons attirés à l’intérieur n’en sortiront pas, à moins que le trou émette l’équivalent phonons du rayonnement de Hawking. Les systèmes sont si semblables que si vous détectez un rayonnement phonon provenant d’un trou noir acoustique, alors le rayonnement de Hawking existe très probablement.

La confirmation du rayonnement de Hawking va au-delà de sa simple détection à l’extérieur d’un trou noir. Les particules émises par le rayonnement de Hawking sont, par le biais des lois de la mécanique quantique, connectées ou “intriquées” avec des particules partenaires qui sont tirées dans le trou noir. Il est essentiel de trouver des preuves de ce phénomène pour confirmer son existence.

Le travail de Steinhauer est la première preuve expérimentale de ces particules intriquées. En 2009, avec ses collègues ils ont créé le premier trou noir acoustique dans un condensat de Bose-Einstein (CBE), un état quantique particulier de la matière dans laquelle de nombreux atomes très froids se comportent comme un seul atome. À l’aide d’un laser, les chercheurs ont créé un horizon des évènements où le flux d’atomes dans le BEC va de subsonique à supersonique.

Depuis 2009, les chercheurs ont amélioré le système et développé des techniques d’imagerie à haute résolution pour étudier les phonons et leurs particules partenaires. L’étude publiée cette semaine présente leurs résultats, qui comprennent des observations de phonons intriqués émis par le trou noir acoustique. Les caractéristiques de ces phonons sont conformes à ce qui est attendu d’un rayonnement de Hawking.

Ce n’est pas la seule tentative expérimentale à tenter de détecter ce rayonnement. Grâce à une variété d’expériences basées sur plusieurs systèmes analogues, des scientifiques du monde entier recherchent actuellement des signes similaires au rayonnement de Hawking.

On ne sait trop encore ce que ces expériences pourront nous apprendre de la gravité quantique, mais le prochain objectif sera surement de voir comment nous pouvons le traduire dans le domaine de la relativité.

L’étude publiée dans Nature Physics : Observation of quantum Hawking radiation andits entanglement in an analogue black hole.