« Plus petit que la plus petite échelle dans la nature » : des physiciens ont créé un trou noir à partir de lumière et l’ont utilisé pour tester la théorie insaisissable des radiations de Stephen Hawking

Les physiciens ont fait sortir la lueur la plus célèbre d’un trou noir d’un brin de fibre optique et, pour la première fois, ont observé cette lumière réagir sur le trou noir simulé qui l’a produite.

Le résultat donne aux chercheurs un aperçu pratique et rare du rayonnement de Hawking – la faible émission thermique qui, selon Stephen Hawking, devrait s’échapper du rayonnement de Hawking. trous noirs – et offre un premier indice sur la petite poussée qui pourrait, en principe, faire évaporer lentement un véritable trou noir, a déclaré l’équipe de recherche dans une nouvelle étude.

En travaillant avec une expérience de table sur les fibres optiques, l’équipe internationale a détecté à la fois le rayonnement et sa « réaction en retour » tant recherchée – la façon dont le rayonnement récupère l’énergie et remodèle l’objet qui l’a créé.

Selon la nouvelle étude, publiée le 1er juillet dans le revue Naturela lumière s’est comportée exactement comme Hawking l’avait prédit : comme la lueur d’un objet chaud, avec une température définie et un spectre qui s’estompe progressivement vers des fréquences plus élevées. Cela s’est produit même dans un régime où la description habituelle d’un trou noir dans les manuels scolaires devrait s’effondrer.

Où trois grandes théories se heurtent

Le rayonnement de Hawking est célèbre car il se situe au carrefour des physique‘ les plus grandes idées.

« Jacob Bekenstein a prédit que les trous noirs avaient une entropie et une température, et Hawking a calculé le rayonnement thermique du trou noir », co-auteur de l’étude Ulf Léonhardtphysicien à l’Institut des sciences Weizmann en Israël, a déclaré à Live Science par e-mail. « Dans le rayonnement Hawking-Bekenstein, la physique quantique, la relativité générale et la thermodynamique se rejoignent – des sujets qui sont normalement en conflit les uns avec les autres. »

Le conflit est profond : Relativité générale imagine l’espace et le temps comme étant fluides et continus, tandis que mécanique quantique décrit un monde de sauts discrets et imprévisibles – et personne n’a réussi à concilier pleinement les deux.

C’est précisément cette combinaison qui rend le rayonnement de Hawking si difficile à étudier. Les astronomes n’ont jamais vu le rayonnement Hawking provenant d’un véritable trou noir et ne le feront probablement jamais ; la lueur est beaucoup trop faible pour être repérée à travers le cosmos. Les physiciens se sont donc tournés vers des substituts de laboratoire qui obéissent aux mêmes équations, construisant des analogues de trous noirs à partir d’eau courante, d’atomes ultrafroids et, comme dans cette étude, de lumière.

Construire un trou noir à partir de la lumière

L’astuce derrière chaque analogue de trou noir est un support en mouvement. « Imaginez un nageur dans la mer avec un courant plus rapide qu’il ne peut nager », a expliqué Leonhardt. « Il est emporté. C’est ce qui se passe au-delà du horizon (événementiel)et c’est pourquoi normalement rien ne peut échapper au trou noir. »

L’horizon des événements d’un trou noir est la limite où ce courant – l’espace lui-même, dans la vraie vie – commence à se déplacer plus vite que tout ce qui peut se déplacer. Pour le recréer, l’équipe avait besoin d’un matériau qui semble se déplacer à la vitesse de la lumière. Leur solution était élégante : utiliser la lumière pour fabriquer la « matière ».

« En optique, nous avons besoin d’un matériau qui semble se déplacer à la vitesse de la lumière », a déclaré Leonhardt. « Pour cela, nous utilisons la lumière elle-même : en optique non linéaire, la lumière agit comme un matériau. »

En pratique, les chercheurs ont déclenché une impulsion de « pompe » intense et ultracourte dans une fine fibre de cristal photonique – un brin de verre fileté d’un motif de minuscules canaux d’air sur toute sa longueur, ce qui permet aux chercheurs d’affiner la façon dont la lumière se déplace à travers elle. Au cours de son déplacement, l’impulsion a légèrement modifié la façon dont le verre courbait la lumière, créant un dos d’âne en mouvement qui courait avec elle. Une deuxième impulsion « sonde », beaucoup plus faible, s’est alors produite dans ce front mobile. Là où la sonde ne pouvait plus suivre, un horizon artificiel s’est formé – et l’analogue du trou noir est né.

Attraper la lueur et son refoulement

La récompense est venue dans l’ultraviolet. Selon la théorie, le rayonnement Hawking est créé par paires : un partenaire s’échappe, tandis que l’autre, porteur d’énergie « négative », est l’image miroir qui tomberait dans un véritable trou noir. Dans la fibre, ce partenaire est apparu sous forme de lumière ultraviolette.

« Nous avons compté les photons dans l’ultraviolet qui correspondent aux partenaires de Hawking au-delà de l’horizon », a expliqué Leonhardt. « Ils ont une longueur d’onde d’environ 233 nanomètres. C’était notre signal. »

Il était tout aussi important de voir la lueur que de comprendre comment elle avait été fabriquée. Pendant des années, les chercheurs ont supposé que la fibre générait son rayonnement Hawking à travers une cascade – une chaîne d’étapes distinctes dans lesquelles la lumière est convertie d’abord en une forme intermédiaire, puis en une autre, chacune alimentant la suivante avant que le rayonnement n’émerge finalement. L’équipe a découvert qu’au lieu de cela, une seule interaction directe faisait l’affaire, la lampe de la pompe et la sonde produisant la paire Hawking en une seule étape propre. Il s’agit d’une image beaucoup plus simple qui, selon les chercheurs, pourrait être transposée à d’autres analogues et peut-être même à de véritables trous noirs.

Parce que l’énergie doit provenir de quelque part, la production d’un rayonnement Hawking devrait pousser la source qui l’a créée. Pour un véritable trou noir, c’est grâce à ce coup de pouce qu’il perd de la masse et, sur des échelles de temps inimaginables, s’évapore entièrement – ​​le processus décrit par Hawking dans son article historique de 1974. Aucune expérience n’avait jamais capturé ce recul.

Ici, l’équipe l’a vu. La production du rayonnement a déplacé une petite fraction de la lumière de l’impulsion de pompe vers une couleur légèrement différente, laissant un motif déséquilibré révélateur dans le spectre. Cette asymétrie, absente dans les expériences antérieures, est l’empreinte de la réaction en retour, ou recul – l’analogue du trou noir payant tranquillement le prix énergétique de sa propre lueur.

La route vers une expérience quantique

Le résultat témoigne également de l’une des énigmes les plus épineuses de la physique des trous noirs : le problème trans-planckien. Retracez le rayonnement de Hawking jusqu’à son point de naissance et le calcul aboutit à un territoire qu’aucun physicien ne peut garantir : l’échelle de Planck, la taille infiniment petite à laquelle l’espace et le temps sont censés perdre leur signification familière et toute la physique connue cède. En d’autres termes, la prédiction de Hawking semble reposer sur une base qui n’existe peut-être pas.

« Toute lumière qui s’éloigne de l’horizon s’étend énormément », a déclaré Leonhardt. « Cela doit donc provenir d’ondes plus petites que la plus petite échelle dans la nature, dont la physique est inconnue. Cela donnerait-il quand même un rayonnement de Hawking ? C’était la question, et nous y avons répondu dans notre expérience. » Remarquablement, la lueur est restée parfaitement thermique même dans ce régime extrême.

La prochaine étape de l’équipe est concrète. Jusqu’à présent, ils ont utilisé une lumière laser ordinaire, qui reproduit le spectre du rayonnement Hawking mais pas sa plus profonde bizarrerie quantique. Ensuite, l’équipe envisage de « passer au quantique », a déclaré Leonhardt. « Nous explorerons comment entrer dans le régime quantique et observerons des caractéristiques quantiques telles que enchevêtrement » – le lien fantomatique qui devrait lier chaque particule de Hawking en fuite à son partenaire perdu.

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