Des recherches menées par l’Université d’Amsterdam ont démontré que le rayonnement insaisissable provenant des trous noirs peut être étudié en l’imitant en laboratoire.
Les trous noirs sont les objets les plus extrêmes de l’univers, emballant tellement de masse dans si peu d’espace que rien, pas même la lumière, ne peut échapper à leur attraction gravitationnelle une fois qu’ils se sont suffisamment rapprochés.
Comprendre les trous noirs est essentiel pour démêler les lois les plus fondamentales régissant le cosmos, car ils représentent les limites de deux des théories de la physique les mieux testées : la théorie de la relativité générale, qui décrit la gravité comme résultant de la déformation (à grande échelle) de l’espace-temps par des objets massifs, et la théorie de la mécanique quantique, qui décrit la physique aux plus petites échelles de longueur. Pour décrire complètement les trous noirs, nous aurions besoin d’assembler ces deux théories et de former une théorie de la gravité quantique.
Trous noirs rayonnants
Pour atteindre cet objectif, nous pourrions vouloir regarder ce qui parvient à s’échapper des trous noirs, plutôt que ce qui est avalé. L’horizon des événements est une frontière intangible autour de chaque trou noir, au-delà de laquelle il n’y a aucun moyen de sortir. Cependant, Stephen Hawking a découvert que chaque trou noir doit émettre une petite quantité de rayonnement thermique en raison de petites fluctuations quantiques autour de son horizon.
Malheureusement, ce rayonnement n’a jamais été directement détecté. La quantité de rayonnement de Hawking provenant de chaque trou noir devrait être si petite qu’il est impossible de la détecter (avec la technologie actuelle) parmi le rayonnement provenant de tous les autres objets cosmiques.
Sinon, pourrions-nous étudier le mécanisme sous-jacent à l’émergence du rayonnement de Hawking ici même sur Terre ? C’est ce que des chercheurs de l’Université d’Amsterdam et de l’IFW Dresden ont entrepris d’étudier. Et la réponse est un « oui » passionnant.
Des trous noirs dans le labo
« Nous voulions utiliser les puissants outils de la physique de la matière condensée pour sonder la physique inaccessible de ces objets incroyables : les trous noirs », explique l’auteur Lotte Mertens.
Pour ce faire, les chercheurs ont étudié un modèle basé sur une chaîne unidimensionnelle d’atomes, dans laquelle les électrons peuvent « sauter » d’un site atomique à l’autre. La déformation de l’espace-temps due à la présence d’un trou noir est imitée en ajustant la facilité avec laquelle les électrons peuvent sauter entre chaque site.
Avec la bonne variation de probabilité de saut le long de la chaîne, un électron se déplaçant d’un bout à l’autre de la chaîne se comportera exactement comme un morceau de matière s’approchant de l’horizon d’un trou noir. Et, analogue au rayonnement de Hawking, le système modèle a des excitations thermiques mesurables en présence d’un horizon synthétique.
Apprendre par analogie
Malgré l’absence de gravité réelle dans le système modèle, la prise en compte de cet horizon synthétique donne un aperçu important de la physique des trous noirs. Par exemple, le fait que le rayonnement de Hawking simulé soit thermique (ce qui signifie que le système semble avoir une température fixe) uniquement pour un choix spécifique de variation spatiale de la probabilité de saut, suggère que le rayonnement de Hawking réel peut également n’être que purement thermique dans certaines situations. .
De plus, le rayonnement de Hawking ne se produit que lorsque le système modèle démarre sans aucune variation spatiale des probabilités de saut, imitant un espace-temps plat sans horizon, avant d’être transformé en un système hébergeant un trou noir synthétique. L’émergence du rayonnement de Hawking nécessite donc un changement dans le gauchissement de l’espace-temps, ou un changement dans la façon dont un observateur à la recherche du rayonnement perçoit ce gauchissement.
Enfin, le rayonnement de Hawking nécessite qu’une partie de la chaîne existe au-delà de l’horizon synthétique. Cela signifie que l’existence du rayonnement thermique est intimement liée à la propriété de mécanique quantique de l’intrication entre les objets de chaque côté de l’horizon.
Parce que le modèle est si simple, il peut être mis en œuvre dans une gamme de configurations expérimentales. Cela pourrait inclure des systèmes électroniques accordables, des chaînes de spin, des atomes ultrafroids ou des expériences optiques. Amener les trous noirs au laboratoire peut nous rapprocher de la compréhension de l’interaction entre la gravité et la mécanique quantique, et sur notre chemin vers une théorie de la gravité quantique.
La recherche a été publiée dans Recherche d’examen physique.
Plus d’information:
Lotte Mertens et al, Thermalisation par un horizon synthétique, Recherche d’examen physique (2022). DOI : 10.1103/PhysRevResearch.4.043084