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From fluid dynamics to quantum gravity

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Des expériences en laboratoire permettent de mieux comprendre le rayonnement de Hawking

La compréhension actuelle de la nature quantique de l’espace-temps s’appuie sur le rayonnement des trous noirs et la génération de particules dans un univers en expansion. Ces phénomènes sont toutefois mal compris car ils sont quasiment hors de portée en astrophysique. Des trous noirs artificiels réalisés dans le cadre du projet FDTOQG, qui a amélioré la compréhension du rayonnement de Hawking, pourraient apporter une solution à ce problème.

Espace

Le deuxième principe généralisé (GSL) de la thermodynamique nous dit qu’un trou noir possède sa propre entropie, comme tout objet ordinaire avec une certaine température. Ceci implique qu’un trou noir doive émettre un rayonnement thermique, et être soumis à la loi du corps noir comme l’exige la thermodynamique. Le Dr Antonin Coutant, titulaire d’une bourse Marie Curie et chercheur principal du projet, déclare: «Cela semble contredire la théorie classique des trous noirs, dont rien n’est censé s’échapper, mais Hawking a découvert dans les années 1970 que la théorie quantique prédisait une émission de rayonnement, et que ce rayonnement suivait la distribution attendue pour un corps chaud». Mais, malgré la théorisation dont il a fait l’objet, le rayonnement d’un trou noir reste mal compris, comme l’explique la Dre Silke Weinfurtner, chercheuse boursière à l’université de Nottingham: «D’un côté, nous sommes toujours en train d’élaborer le cadre permettant de réconcilier la relativité générale et la physique quantique et, de l’autre, nous n’avons que très peu d’observations pour nous guider, car la température de Hawking est tellement faible que son effet est négligeable au niveau des observations actuelles de trous noirs. Plus un trou noir est petit, plus sa température est élevée, mais ceux qui existent dans notre univers sont hélas trop grands». C’est là que la gravité analogue entre en jeu. Cette méthode innovante nous dit que le rayonnement de Hawking, la superradiance et la production de particules cosmologiques sont des processus universels qui – même s’ils sont trop faibles pour être visibles dans les systèmes astrophysiques – se rencontrent dans toute une famille d’autres systèmes, comme les systèmes optiques, fluides ou superfluides. «La gravité analogue constitue aujourd’hui la meilleure chance dont nous disposions pour observer ces effets dans des expériences de laboratoire», indique le Dr Coutant. «L’analogie n’est pas parfaite, mais le fait que ces processus se produisent dans une grande famille de systèmes prouve qu’ils sont robustes par rapport aux modifications dépendantes du système. Par exemple, si l’espace-temps était fondamentalement discret, il faudrait s’inquiéter de la façon dont le processus de Hawking tiendrait compte de cette nature discrète. Les systèmes analogues présentent une certaine discrétude fondamentale (l’eau est par exemple constituée de molécules), mais l’effet de Hawking s’y produit quand même», déclare la Dre Weinfurtner. De fait, la robustesse du processus de superradiance a dépassé les attentes de la scientifique, car il lui suffit d’un objet qui tourne suffisamment vite et qui soit capable d’absorber un petit peu d’énergie. Puisqu’il ne fait aucun doute que les trous noirs sont en rotation et absorbent la matière environnante, la Dre Weinfurtner est convaincue que leur rotation devrait pouvoir décélérer par le biais de ce mécanisme. Reste que l’extrapolation à l’astrophysique n’est pas aussi directe qu’il n’y paraît. Il existe certes une analogie avec les modèles théoriques du projet, au niveau de la façon dont ils décrivent comment de petites fluctuations interagissent avec des trous noirs, mais ils ne prouvent pas qu’un véritable trou noir présente le même effet. «Nous sommes capables de tester notre cadre théorique, mais pas de vérifier s’il décrit la réalité. Il est toutefois clair que nos travaux nous ont permis de mieux comprendre le rayonnement de Hawking et la superradiance (également connue sous le nom de processus de Penrose), ainsi que les difficultés liées à leur détection, même dans l’environnement contrôlé d’un laboratoire», conclut la Dre Weinfurtner. Le projet FDTOQG (From fluid dynamics to quantum gravity) ayant pris fin, l’équipe est impatiente de voir comment va réagir la communauté scientifique. Elle s’attend à ce que d’autres expériences soient menées à l’avenir, faisant appel à des systèmes différents pour parvenir à détecter la superradiance.

Mots‑clés

FDTOQG, trou noir, rayonnement de Hawking, thermodynamique, relativité générale, entropie, physique quantique, superradiance

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