Les scientifiques ont créé un analogue de trou noir développé en laboratoire pour tester l’une des théories les plus célèbres de Stephen Hawking – et il se comporte exactement comme il l’avait prédit.

L’expérience, créée en utilisant une chaîne d’atomes à fichier unique pour simuler l’horizon des événements d’un trou noir, a ajouté des preuves supplémentaires à la théorie de Hawking selon laquelle les trous noirs devraient émettre une faible lueur de rayonnement à partir de particules de lumière virtuelles apparaissant au hasard près de leur les frontières. De plus, les chercheurs ont découvert que la plupart des particules lumineuses, ou photons, devraient être produites autour des bords des monstres cosmiques. L’équipe a publié ses conclusions le 8 novembre dans la revue Physical Review Research.

Selon la théorie quantique des champs, il n’existe pas de vide vide. Au lieu de cela, l’espace regorge de minuscules vibrations qui, si elles sont imprégnées de suffisamment d’énergie, éclatent au hasard en particules virtuelles – des paires particule-antiparticule qui s’annihilent presque immédiatement, produisant de la lumière. En 1974, Stephen Hawking a prédit que la force gravitationnelle extrême ressentie à l’embouchure des trous noirs – leurs horizons d’événements – convoquerait des photons à l’existence de cette manière. La gravité, selon la théorie de la relativité générale d’Einstein, déforme l’espace-temps, de sorte que les champs quantiques se déforment davantage à mesure qu’ils se rapprochent de l’immense remorqueur gravitationnel de la singularité d’un trou noir.

En raison de l’incertitude et de l’étrangeté de la mécanique quantique, cette déformation crée des poches inégales de temps en mouvement différent et des pics d’énergie ultérieurs à travers le champ. Ce sont ces décalages d’énergie qui font émerger des particules virtuelles de ce qui semble n’être rien à la périphérie des trous noirs, avant de s’annihiler pour produire une faible lueur appelée rayonnement de Hawking.

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Les physiciens s’intéressent à la prédiction de Hawking parce qu’elle est faite à la frontière extrême des deux grandes théories de la physique, mais actuellement inconciliables : la théorie de la relativité générale d’Einstein, qui décrit le monde des grands objets, et la mécanique quantique, qui détaille le comportement étrange des plus petits particules.

Mais détecter directement la lumière hypothétique est quelque chose que les astrophysiciens ne parviendront probablement jamais à réaliser. Premièrement, il y a les défis considérables posés à la fois par le fait de se rendre dans un trou noir – le plus proche connu étant à 1 566 années-lumière de la Terre – et, une fois là-bas, de ne pas être aspiré et spaghettisé par son immense attraction gravitationnelle. Deuxièmement, on pense que le nombre de photons de Hawking apparaissant autour des trous noirs est infime ; et dans la plupart des cas seraient noyés par d’autres effets produisant de la lumière, tels que les rayons X à haute énergie crachés par la matière tourbillonnant autour du précipice du trou noir.

En l’absence d’un véritable trou noir, les physiciens ont commencé à rechercher le rayonnement de Hawking dans des expériences qui simulent leurs conditions extrêmes. En 2021, les scientifiques ont utilisé une rangée unidimensionnelle de 8 000 atomes surfondus et confinés au laser de l’élément rubidium, un métal mou, pour créer des particules virtuelles sous la forme d’excitations ondulatoires le long de la chaîne.

Maintenant, une autre expérience de chaîne d’atomes a réalisé un exploit similaire, cette fois en ajustant la facilité avec laquelle les électrons peuvent sauter d’un atome à l’autre dans la ligne, créant une version synthétique de l’horizon des événements de déformation spatio-temporelle d’un trou noir. Après avoir réglé cette chaîne de manière à ce qu’une partie de celle-ci tombe au-dessus de l’horizon des événements simulé, les chercheurs ont enregistré un pic de température dans la chaîne – un résultat qui imitait le rayonnement infrarouge produit autour des trous noirs. La découverte suggère que le rayonnement de Hawking pourrait émerger comme un effet d’intrication quantique entre des particules positionnées de chaque côté d’un horizon des événements.

Fait intéressant, l’effet n’est apparu que lorsque l’amplitude des sauts est passée de quelques configurations définies d’espace-temps plat à une configuration déformée – ce qui suggère que le rayonnement de Hawking nécessite un changement dans les configurations énergétiques spécifiques de l’espace-temps pour être produit. Comme les puissantes distorsions de gravité produites par le trou noir sont absentes du modèle, ce que cela signifie pour une théorie de la gravité quantique et pour le potentiel de rayonnement réel de Hawking produit naturellement n’est pas clair, mais cela offre néanmoins un aperçu alléchant d’une physique jusque-là inexplorée.