World of Physics : “Création d’un horizon d’événements artificiel”

Aucune matière, même la lumière, ne peut échapper à l’attraction gravitationnelle des trous noirs – les objets massifs avalent tout ce qui leur tombe dessus. Mais les calculs théoriques du physicien Stephen Hawking prédisent que les trous noirs émettent toujours un rayonnement thermique. Cependant, ce soi-disant rayonnement de Hawking est si faible qu’il ne peut pas être détecté avec les télescopes d’aujourd’hui. Au lieu de cela, les physiciens ont déjà développé diverses idées de systèmes modèles en laboratoire qui émettent un rayonnement de Hawking analogue aux trous noirs. Dans une interview avec Welt der Physik, Lotte Mertens de l’Institut Leibniz pour la recherche sur l’état solide et les matériaux à Dresde fait état d’une nouvelle proposition.

World of Physics : Même la lumière ne peut pas s’échapper d’un trou noir. Comment peuvent-ils encore émettre des radiations ?

Lotte Mertens : Le rayonnement de Hawking ne vient pas de l’intérieur des trous noirs, mais de leur surface. Un trou noir est caractérisé par son horizon des événements. C’est le point de non retour en arrière. Tout ce qui a traversé l’horizon des événements ne sortira pas. La question passionnante est maintenant : que se passe-t-il exactement à ce stade ?

Et qu’est-ce que Stephen Hawkings a prédit pour cela?

Selon les lois de la physique quantique, le vide n’est pas absolument vide, mais rempli de particules dites virtuelles. Des paires de particules sont créées en permanence partout dans l’univers pendant un instant infime, pour disparaître à nouveau peu de temps après en s’annihilant l’une l’autre. Selon Hawking, une situation particulière peut maintenant se présenter à l’horizon des événements d’un trou noir : si l’une des deux particules virtuelles disparaît derrière l’horizon des événements et que l’autre s’échappe du trou noir, alors elles ne peuvent plus disparaître ensemble. Ensuite, la paire virtuelle de particules devient une seule vraie particule de lumière qui s’envole du bord même du trou noir. C’est ce qu’on appelle le rayonnement de Hawking.

Quelles sont les propriétés de ce rayonnement ?

Premièrement, le rayonnement doit avoir certaines propriétés thermiques qui correspondent au rayonnement thermique d’un corps à une certaine température. En raison de ce rayonnement de Hawking, les trous noirs sont aussi une sorte de radiateur thermique. Bien qu’ils avalent tout, ils émettent un peu de rayonnement thermique depuis leur bord. Et deuxièmement, le rayonnement doit être très faible pour qu’il ne puisse pas être détecté avec les télescopes d’aujourd’hui – probablement pendant longtemps dans le futur. Car ce rayonnement thermique extrêmement faible est complètement recouvert par tous les autres processus au voisinage des trous noirs. Par conséquent, ces dernières années, il y a eu des idées répétées sur la façon de générer un rayonnement de Hawking en laboratoire à l’aide de systèmes de modèles physiques.

Comment quelque chose comme ça peut-il être possible ?

Un trou noir émet un rayonnement de Hawking à partir d’un horizon d’événements. Ceci est causé par l’extrême courbure de l’espace-temps, qui à son tour est causée par l’immense concentration de masse du trou noir. Bien sûr, nous ne pouvons pas reproduire cela en laboratoire – même si nous avons eu des demandes de presse qui s’en inquiétaient. L’idée est de créer à la place une sorte d’horizon artificiel des événements qui n’a rien à voir avec la courbure de l’espace-temps, mais avec les propriétés physiques d’un système matériel. L’objectif est donc de créer une situation analogue à l’horizon des événements d’un trou noir en laboratoire, où les particules ressentent une barrière comparable qui n’est perméable que dans une seule direction.

Horizon des événements artificiel

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Quel type de système proposez-vous maintenant ?

Nous avons développé un système modèle théorique dans lequel les électrons sautent d’un atome à l’autre, pour ainsi dire. L’astuce est maintenant qu’à un certain moment, une variation spatiale de la probabilité de saut est introduite dans le système. Initialement, la probabilité d’où les électrons sautent est la même partout. Ensuite, vous modifiez la probabilité juste pour que les électrons imitent le comportement de la matière à l’approche d’un trou noir. Nos calculs de ce système modèle montrent alors en fait un comportement qui correspond au rayonnement de Hawking.

Comment un tel modèle abstrait peut-il être réalisé expérimentalement ?

En principe, de nombreuses méthodes différentes sont possibles pour cela, bien que l’effet ne soit pas facile à mesurer. Cependant, nous sommes déjà en pourparlers avec un groupe de travail à Dresde qui veut mettre cela en œuvre dans un système électronique dit actif. Pour le dire simplement, il s’agit d’un fil électrique dans lequel la tension électrique et la résistance peuvent être ajustées en différents points en fonction du temps. De cette façon, on pourrait réaliser notre système modèle. Mais il faut aussi noter : le rayonnement de Hawking est l’un des domaines les plus difficiles de la physique théorique, car diverses branches abstraites de la physique moderne se rejoignent ici. De nombreuses questions restent encore sans réponse, tant sur le plan expérimental que sur le plan théorique et conceptuel. C’est précisément pourquoi nous sommes très enthousiasmés par les résultats expérimentaux.