mercredi 24 juillet 2024

Les trous noirs de Hawking ne seraient pas les seuls à s’évaporer par rayonnement quantique !

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Stephen Hawking nous a quittés il y a maintenant cinq ans, nous ne saurons donc pas ce qu’il aurait pensé d’une intéressante théorie publiée qui semble étendre la notion de rayonnement quantique d’un trou noir à des objets massifs qui ne sont pas des trous noirs. Elle suggère que même des naines blanches finiraient par s’évaporer quantiquement dans un Univers en expansion pour l’éternité.

Au milieu des années 1970, la publication par Stephen Hawking de sa découverte du rayonnement quantique des trous noirs conduisant à leur évaporation a fait l’effet d’une bombe. Rapidement, Hawking allait montrer aussi que ce rayonnement conduisait à un paradoxe puisqu’il contredisait un théorème fondamental de la théorie quantique, théorie qui avait pourtant été utilisée pour prédire ce que l’on appelle de nos jours le rayonnement ou encore la radiation Hawking.

Il s’agit de ce que l’on appelle le paradoxe de l’information et il est étroitement lié à la présence d’un horizon des événements pour les trous noirs, c’est-à-dire l’existence d’une limite que l’on peut décrire comme une sorte de membrane fermée qui ne peut être traversée que dans un seul sens pour entrer dans la région enveloppée par cette membrane. Pour en sortir, il faudrait pouvoir dépasser la vitesse de la lumière ce qui contredit la théorie de la relativité… sauf sous la forme du rayonnement Hawking.

Pour la petite histoire, Richard Feynman avait découvert ce rayonnement un an avant Hawking. Mais il avait sans doute trouvé le phénomène tellement évident et facile à démontrer par le calcul qu’il n’avait pas trouvé nécessaire de publier un article à ce sujet. Tout comme dans le cas de la découverte de l’instabilité des étoiles géantes en relativité générale, Feynman avait signé le « Livre d’or » avant tout le monde.

Un rayonnement quantique thermique en raison de la présence d’un horizon des événements

Les calculs de Hawking montraient que la région juste au-dessus de cet horizon se comportait en pratique comme l’équivalent de la surface d’une étoile mais brillant avec un rayonnement de corps noir parfait et dont la température est inversement proportionnelle à la masse du trou noir décrit par la présence de l’horizon des événements. Un rayonnement de corps noir étant très désordonné, tout objet pénétrant dans un trou noir verrait sa masse et son énergie un jour totalement éjectées d’un trou noir par rayonnement Hawking, mais avec une perte totale de l’information initialement injectée dans le trou noir.

On peut montrer que les trous noirs stellaires et ceux au cœur des galaxies sont encore trop froids pour s’évaporer et au contraire, ils absorbent le rayonnement fossile qui est plus chaud qu’eux de la même manière qu’un glaçon absorbe la chaleur d’un verre d’eau à température ambiante et pas l’inverse, en accord avec les lois de la thermodynamique, le troisième pilier de la physique avec la mécanique quantique et la théorie de la relativité.

La présence d’un horizon des événements est indispensable pour avoir un trou noir et peut sembler l’être tout autant pour l’existence du rayonnement quantique d’un trou noir sous sa forme la plus simple, le trou noir de Schwarzschild sans rotation contrairement au trou noir de Kerr. Mais, selon un article aujourd’hui publié dans Physical Review Letters et dont une version est en libre accès sur arXiv, la production de particules par effet quantique serait aussi universelle que la gravitation et pour une bonne raison, puisqu’elle en serait le produit et pas nécessairement en raison de l’existence d’un horizon des événements.

C’est en effet la thèse que soutiennent Michael Wondrak, Walter van Suijlekom et Heino Falcke de l’Université Radboud aux Pays-Bas.

Les trois chercheurs ont revisité la description quantique simple qui est souvent donnée pour expliquer l’origine du rayonnement Hawking et sur cette base ils ont découvert un nouveau type de rayonnement qui ne repose que sur l’existence de force de marée à l’extérieur d’un corps massif. Le rayonnement obtenu est similaire à celui de Hawking, mais il n’est pas encore parfaitement clair s’il en est une généralisation ou un phénomène nouveau qui s’ajouterait à celui de Hawking propre aux trous noirs.

Les premiers calculs ne semblent pas montrer un spectre de corps noir et comme ils ne font pas intervenir l’horizon des événements, ils ne semblent pas non plus conduire au paradoxe de l’information.

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