Que se passe-t-il lorsque les trous noirs meurent ?

Dans ce qui est sans doute sa contribution la plus importante à la science, Stephen Hawking a suggéré que les trous noirs peuvent laisser échapper une forme de rayonnement qui les fait refluer progressivement et finit par mettre fin à leur vie dans un événement explosif massif.

Ce rayonnement, plus tard appelé “rayonnement de Hawking”, pose par inadvertance un problème à l’intersection de la relativité générale et de la physique quantique – le premier étant la meilleure description que nous ayons de la gravité et de l’univers à des échelles cosmiquement massives, tandis que le second est le modèle le plus robuste de la physique qui régit le tout petit.

Les deux théories ont été confirmées à plusieurs reprises depuis leurs débuts distincts au début du XXe siècle. Pourtant, ils restent frustrants incompatibles.

Cette incompatibilité, qui découle principalement de l’absence d’une théorie de la “gravité quantique”, a été aggravée au milieu des années 1970 lorsque Hawking a pris les principes de la physique quantique et les a appliqués au bord des trous noirs. Un paradoxe est né que les physiciens travaillent depuis 50 ans à résoudre.

On est peut-être enfin sur le point de trouver une solution grâce à une revue publiée dans la revue Lettres Europhysique le mois dernier. Dans ce document, les chercheurs en physique de l’Université du Sussex Xavier Calmet et Stephen DH Hsu détaillent le problème du paradoxe de Hawking et les solutions potentielles à ce problème cosmologique.

Quel est le problème avec le rayonnement de Hawking ?

Dans une lettre de 1974 intitulée Des explosions de trous noirs ? publié dans la revue La natureun jeune Hawking a proposé que les effets quantiques, généralement ignorés en physique des trous noirs, pourraient devenir significatifs dans la détérioration de la masse d’un trou noir sur une période d’environ 10¹⁷ (10 suivis de 16 zéros) secondes.

Les trous noirs sont créés lorsque des étoiles massives arrivent en fin de vie et que le combustible qu’elles utilisent pour la fusion nucléaire est épuisé. L’arrêt de la fusion nucléaire met fin à la pression extérieure qui soutient une étoile contre la force intérieure de sa propre gravité.

Il en résulte un effondrement du noyau qui crée un point dans lequel l’espace-temps est courbé à l’infini – une singularité centrale que la physique ne peut actuellement pas expliquer. Au bord extérieur de cette courbure extrême se trouve «l’horizon des événements» du trou noir, ou le point auquel même la lumière n’est pas assez rapide pour échapper à l’attraction gravitationnelle du trou noir.

“Hawking a étudié les effets quantiques proches de l’horizon des trous noirs en réalisant que des paires de particules seraient générées spontanément ici”, a déclaré Calmet. Mécanique populaire. “En regardant une paire spécifique de particules, il a pu montrer que l’une des deux, lorsqu’elle serait produite à l’horizon des événements, tomberait dans le trou noir pour ne plus jamais être vue. L’autre s’échapperait et serait en principe visible pour un observateur extérieur. C’est le fameux rayonnement de Hawking.

Lorsque ces soi-disant particules virtuelles apparaissent, elles le font avec des charges égales et opposées pour éviter de violer la loi de conservation de l’énergie, qui stipule que l’énergie ne peut être ni créée ni détruite. Comme une banque, le vide de l’espace a une facilité de découvert, mais cette dette est généralement rapidement remboursée par les particules qui s’annihilent les unes les autres.

Si une particule s’échappe sous forme de rayonnement Hawking et évite l’annihilation, la dette énergétique qui reste doit être payée par la masse du trou noir. Cela le fait s’évaporer progressivement à mesure que de plus en plus de particules apparaissent et que plus de rayonnement Hawking est émis, sapant plus de masse.

“Soit nous devons modifier la mécanique quantique, soit la théorie de la relativité générale d’Einstein.”

«Le rayonnement Hawking est thermique, et le rayonnement thermique est à peu près sans particularité. Cela signifie qu’il ne peut pas contenir d’informations sur l’objet qui l’a émis », explique Calmet. “Ce serait un problème sérieux pour les trous noirs.”

Il souligne que le calcul de Hawking implique que les informations sur ce qui est entré dans le trou noir seraient détruites à mesure que le trou noir s’évapore.

“Si c’est vrai, ce serait un problème pour la physique car l’une des propriétés clés de la mécanique quantique appelée” unitarité “implique qu’il est toujours possible de regarder un film à l’envers. En d’autres termes, à partir de l’observation du rayonnement émis par un trou noir, la mécanique quantique nous dit que nous devrions être capables de reconstituer toute l’histoire du trou noir, ce qui s’y est passé », explique Calmet. “Si Hawking a raison, nous devrions accepter que l’une des théories bien établies de la physique est fausse. Soit nous devons modifier la mécanique quantique, soit la théorie de la relativité générale d’Einstein.

Heureusement, cette année encore, les physiciens ont proposé une idée qui pourrait éliminer le paradoxe de Hawking en utilisant des mécanismes existants.

Les trous noirs peuvent avoir des cheveux après tout

Aaron HorowitzGetty Images

Bien qu’il s’agisse d’un phénomène spatial puissant et mystérieux, les trous noirs sont assez faciles à décrire. En effet, ils ne peuvent avoir que trois propriétés dont nous sommes sûrs : la masse, le moment cinétique et la charge électrique. Le physicien théoricien John Wheeler a résumé cela avec la phrase “les trous noirs n’ont pas de cheveux”.

Calmet et Hsu suggèrent que les informations transportées par la matière avalée peuvent être encodées dans le champ gravitationnel d’un trou noir. En calculant les corrections de la gravité à un niveau quantique, ils ont montré que le potentiel de l’étoile est sensible à ses conditions internes. Cela signifie que les trous noirs possèdent, faute d’un meilleur terme, des « cheveux quantiques » cultivés par la composition de leur étoile progénitrice.

“Lorsque cette étoile s’effondre en un trou noir, la correction demeure et les trous noirs ont donc un cheveu quantique”, explique Calmet. “En d’autres termes, les trous noirs ont une mémoire quantique de leur étoile progénitrice.”

Le duo a suivi cela en suggérant que le rayonnement de Hawking n’est pas entièrement de nature thermique. Au lieu de cela, ils croient qu’il contient des cheveux quantiques informationnels encodés.


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    “Les très petits écarts par rapport à la thermalité suffisent à expliquer comment l’information qui se trouve dans le trou noir reste accessible à un observateur extérieur”, explique Calmet. “C’est suffisant pour préserver l’unitarité et donc, il n’y a pas de paradoxe.”

    La beauté de la théorie de Calmet et Hsu est qu’elle ne nécessite aucun ajustement à la mécanique quantique ou à la relativité générale, ou à des mécanismes supplémentaires non encore proposés par la physique.

    “En fin de compte, tous les ingrédients pour résoudre le problème existent depuis un certain temps, dans un sens, Hawking aurait pu le résoudre lui-même s’il avait cherché une explication simple”, déclare Calmet. “Il est frappant pour moi que la résolution du paradoxe de l’information puisse se faire sans proposer une nouvelle physique malgré ce que la plupart des gens croient depuis près de cinq décennies.”

    D’autres idées pour résoudre le paradoxe de Hawking ne sont pas aussi conservatrices. En effet, certains pourraient changer notre concept fondamental de l’univers – ou devrait-il s’agir d’« univers ?

    Trous noirs et bébés univers

    Le concept de « multivers » est l’idée que plusieurs univers existent en plus du nôtre, mais sont séparés et incapables d’interagir. Une nouvelle itération de cette idée suggère que la singularité au cœur d’un trou noir – le point infiniment courbé où toutes les lois de la physique s’effondrent – est en fait un univers infantile séparé et distinct.

    “Dans ma théorie, chaque trou noir est en fait un trou de ver ou un” pont Einstein-Rosen “vers un nouvel univers de l’autre côté de l’horizon des événements du trou noir”, Nikodem Poplawski, professeur de physique au Département de mathématiques et de physique de l’Université de New Haven, raconte Mécaniques populaires.

    Cela signifierait que chaque univers, comme le nôtre, pourrait héberger des milliards de trous noirs, chacun contenant son propre bébé univers. Poplawski dit que cette proposition résout naturellement le paradoxe de Hawking.

    “L’information ne disparaît pas mais va au bébé univers de l’autre côté de l’horizon des événements du trou noir”, poursuit Poplawski. “La matière et l’information qui tombe dans un trou noir et ressort d’un trou blanc [the opposite of a black hole which allows exit but not entry] dans l’univers de bébé.

    Bien que la théorie ne rende pas explicitement compte du rayonnement de Hawking, tout comme la théorie originale de la relativité générale d’Einstein, elle ne l’interdit pas. En ce qui concerne l’évaporation éventuelle du trou noir, Poplawski dit que cet événement isolerait de façon permanente l’univers naissant de son parent.

    De nombreuses autres idées ont été avancées pour résoudre le paradoxe de Hawking, y compris les informations restant à l’intérieur du trou noir et émergeant à la fin de l’évaporation du trou noir. Bien qu’aucun n’ait tout à fait résolu le problème dans un arc soigné, Calmet dit que certains des plus grands esprits de la physique travaillent dur sur la question.

    Hawking était un titan dans son domaine, et son travail le plus important a montré que même les titans cosmiques comme les trous noirs ne peuvent pas durer éternellement. Les successeurs de Hawking travaillent pour que cette impermanence s’applique au paradoxe qui porte son nom.

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