Comment les trous noirs "fonctionnent"?
Les trous noirs sont des zones de l’espace où la gravité est très forte. De plus
Rayonnement de Hawking dans un trou noir ordinaireapparaît lorsqu'une paire de particules virtuelles apparaît à l'horizon des événements, qui se transforme en une paire particule-antiparticule. Dans ce cas, une particule tombe au-delà de l'horizon et l'autre s'envole.
Qu'est-ce que Hawking a prédit?
Le physicien théorique Stephen Hawking a prédit:bien que rien ne puisse laisser de trous noirs, ils émettent eux-mêmes spontanément une quantité limitée de lumière. Il est connu sous le nom de rayonnement Hawking. Selon les prédictions du physicien, ce rayonnement est spontané (c'est-à-dire qu'il provient de rien) et stationnaire (c'est-à-dire que son intensité ne change pas beaucoup avec le temps).
Le rayonnement de Hawking est le principal argument des scientifiquesconcernant la désintégration (évaporation) des petits trous noirs, qui pourrait théoriquement survenir lors des expériences au LHC – Large Hadron Collider. Cet effet est à la base de l'idée d'un réacteur singulier - un dispositif permettant d'obtenir de l'énergie d'un trou noir à l'aide du rayonnement de Hawking.
Auteur : Maximilien Brice, CERN — Serveur de documents du CERN, CC BY-SA 3.0
V. Gribov en discussion avec Ya.Zeldovich a insisté sur le fait que grâce au tunnel quantique, les trous noirs devraient émettre des particules. Même avant la publication de ses travaux, Hawking s'est rendu à Moscou en 1973, où il a rencontré les scientifiques soviétiques Yakov Zeldovich et Alexei Starobinsky. Ils ont démontré à Hawking que, selon le principe d’incertitude de la mécanique quantique, les trous noirs en rotation devraient générer et émettre des particules.
Selon les prédictions de Hawking, le rayonnement du noirle trou est spontané. Dans leur nouvelle étude, les scientifiques ont cherché à savoir si le rayonnement émis par leur trou noir est également stationnaire (c'est-à-dire s'il reste constant dans le temps).
Qu'est-ce que les scientifiques ont découvert?
Chercheurs à Israel TechLe Technion Institute a récemment mené des recherches visant à tester les prédictions théoriques de Hawking. En particulier, ils ont cherché à savoir si l'équivalent du rayonnement de Hawking dans un «trou noir artificiel» créé dans des conditions de laboratoire était stationnaire.
Si vous entrez dans l'horizon des événements, vous ne le ferez pasvous pouvez sortir d'ici même s'il y a de la lumière. Le rayonnement de Hawking commence juste au-delà de l’horizon des événements, là où la lumière peut à peine s’échapper. C'est vraiment étrange parce qu'il n'y a rien là-bas ; c'est un espace vide. Mais ce rayonnement part de rien, sort et se dirige vers la Terre.
Jeff Steinhauer, l'un des chercheurs dans une interview avec ScienceX
Comment les scientifiques ont-ils créé un trou noir artificiel?
Trou noir artificiel créé par les Israéliensscientifiques, avait une longueur d'environ 0,1 mm et était fabriqué à partir d'un gaz composé de 8 000 atomes de rubidium. C'est un nombre relativement petit d'atomes. Chaque fois que les chercheurs l'ont photographié, le trou noir s'est effondré. Ainsi, afin d'observer son évolution dans le temps, ils ont dû créer un trou noir, le photographier, puis en créer un autre. Ce processus a été répété plusieurs fois au cours des mois.
Un trou noir analogique créé par des chercheurs. Crédit: Kolobov et al.
Rayonnement Hawking émis par cet analoguetrou noir, se compose d'ondes sonores, pas de lumière. Les atomes de rubidium se déplacent plus rapidement que la vitesse du son, de sorte que les ondes sonores ne peuvent pas atteindre l'horizon des événements et s'échapper du trou noir. Cependant, en dehors de l'horizon des événements, le gaz s'écoule lentement, de sorte que les ondes sonores peuvent se déplacer librement.
Le rubidium coule vite, plus vite que la vitesse du son, etcela signifie que le son ne peut pas aller à contre-courant. Disons qu'une personne essaie de nager à contre-courant. Si ce courant se déplace plus vite qu'il ne sait nager, alors il est tout simplement impossible d'avancer. Le nageur est constamment repoussé - le courant se déplace trop vite et dans la direction opposée. En conséquence, une personne reste coincée au même endroit. C'est ce que c'est que d'être coincé dans un trou noir et d'essayer d'atteindre l'horizon des événements de l'intérieur.
Le rayonnement Hawking est constitué de paires de photons (c'est-à-direparticules lumineuses) : l’une sort du trou noir et l’autre y retombe. Pour tenter d'identifier le rayonnement Hawking émis par un trou noir analogique, les scientifiques ont recherché des paires d'ondes sonores similaires, l'une sortant du trou noir et l'autre s'y déplaçant. Une fois ces paires d’ondes sonores identifiées, les chercheurs ont tenté de déterminer s’il existait des corrélations entre elles. Les physiciens ont répété leur expérience 97 000 fois, soit 124 jours de mesures continues. En conséquence, les chercheurs ont découvert qu'une paire d'ondes sonores apparaissait sur l'analogue du trou noir et ont également confirmé la corrélation entre elles.
Dans l'ensemble, les résultats semblent confirmer quele rayonnement émis par les trous noirs est stationnaire, comme l'a prédit Hawking. Bien que ces résultats soient principalement liés au trou noir analogique qu'ils ont créé, des études théoriques peuvent aider à confirmer s'ils peuvent être appliqués à de vrais trous noirs.
Quelle est la ligne du bas?
L'étude des scientifiques soulève des questions importantes.Le fait est qu’ils ont pu observer toute la durée de vie d’un trou noir analogique et voir comment le rayonnement de Hawking a commencé. Les recherches futures pourraient tenter de comparer les résultats des travaux avec les prédictions sur ce qui se passerait dans un véritable trou noir. De cette façon, les scientifiques pourront voir si le « vrai » rayonnement Hawking commence à zéro puis augmente, comme l’ont observé les physiciens au cours de l’expérience.
Un vrai trou noir a deux horizons:l'extérieur est l'horizon des événements (plus précisément l'horizon de la visibilité) et l'intérieur est l'horizon de Cauchy. Entre les deux horizons, il y a une région T, où le mouvement de tout objet n'est possible que dans une seule direction: la lumière, la particule ou la personne ne se déplacera que vers l'intérieur. Les forces de marée augmenteront à mesure que vous vous déplacerez dans cette zone vers l'horizon intérieur de Cauchy. De manière surprenante, en dessous, le mouvement de l'objet vers le centre ralentit considérablement (en un sens, dans les coordonnées accompagnant l'objet lui-même).
Après s'être arrêté à la structure d'accueilcoordonnées, il commence à pousser vers l'extérieur - dans un autre univers (la topologie des vrais trous noirs n'est pas triviale, il existe une connexion entre différents univers et l'objet doit être poussé dans un autre univers). Au point d'arrêt (également appelé point de retournement, le point de gorge), il y a des forces de marée maximales pour un trou noir donné, un objet donné et les conditions initiales de chute de cet objet (dans d'autres conditions, ce maximum sera différent , mais toujours fini).
Dans la zone à l'intérieur de l'horizon intérieurl'attraction gravitationnelle est beaucoup plus faible, de sorte que les objets peuvent se déplacer librement et ne sont plus attirés vers le centre du trou noir. Cependant, ils ne peuvent toujours pas quitter le trou noir car ils ne peuvent pas traverser l'horizon intérieur dans la direction opposée (c'est-à-dire se diriger vers l'horizon des événements).
Essentiellement, l'horizon des événements est la sphère extérieure.trou noir, et à l'intérieur il y a une petite sphère appelée l'horizon intérieur. Si une personne tombe au-delà de l'horizon intérieur, elle sera toujours coincée dans un trou noir. Mais au moins, il ne ressentira pas l'impensable physique d'y être. La personne se retrouvera dans un environnement plus «normal», car la force de gravité sera plus faible et il ne sera plus possible de la ressentir.
Certains physiciens ont prédit que lorsquele trou noir analogique forme un horizon intérieur, le rayonnement qu'il émet devient plus fort. Fait intéressant, c'est exactement ce qui s'est passé dans le trou noir analogique créé par les chercheurs du Technion. Ainsi, cette étude peut inspirer d'autres physiciens à étudier l'effet de la formation de l'horizon interne sur l'intensité du rayonnement de Hawking.
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