trou noir
© NASA / JPL-Caltech
On pense maintenant que de nombreuses galaxies ont un trou noir en leur centre, y compris la nôtre.
Un chercheur japonais a imaginé une façon originale de simuler en laboratoire le rayonnement de Hawking, supposément émis par les trous noirs par interaction avec des paires de particules.

La formule est basée sur le fait de provoquer la création de ce rayonnement en laboratoire à l'aide de paires de particules en intrication quantique, ce qui nous permet de savoir ce qui se passe à l'intérieur d'un trou noir grâce à la particule « miroir » qui s'échappe d'un trou blanc.

Le célèbre Stephen Hawking, décédé en 2018, a révolutionné l'astronomie en 1974, lorsqu'il a affirmé que les effets de la physique quantique signifient que les trous noirs ne sont pas réellement « aussi noirs » qu'on le prétend.

Un trou noir est une région finie de l'espace qui contient une forte concentration de masse avec un puissant champ gravitationnel dont rien ne peut s'échapper, pas même la lumière. C'est pourquoi on l'appelle un trou noir.

PAIRES DE PARTICULES

Selon Hawking, les trous noirs sont capables d'émettre de l'énergie, de perdre de la matière et même de disparaître.

Cette énergie (rayonnement) provient du fait qu'un trou noir émettrait en permanence des paires de particules : l'une d'entre elles est effectivement piégée par la gravité, mais l'autre s'échappe vers l'extérieur, provoquant une émission spontanée de rayonnement connue sous le nom de rayonnement de Hawking.

Bien que la prédiction de Hawking ait presque 50 ans, elle n'a pas encore été mesurée dans de vrais trous noirs (cosmiques). Pour cette raison, les scientifiques du monde entier ont passé des décennies à essayer d'imiter ce phénomène en laboratoire.

Plus tôt cette année, des scientifiques israéliens ont annoncé qu'ils avaient créé un trou noir sonique, analogue au trou noir cosmique, dont les ondes sonores ne peuvent s'échapper : ils ont démontré que le rayonnement stationnaire de Hawking est en fait émis de l'intérieur, avec une température et une force constantes.

NOUVELLE FORMULE

Aujourd'hui, Haruna Katayama, chercheuse à l'Université d'Hiroshima au Japon, affirme avoir trouvé une formule pour reproduire le rayonnement de Hawking dans un laboratoire.

Proposer un théorie de laser à circuit quantique qui utilise un trou noir analogique et un trou blanc comme résonateur.

Cette théorie fournit un équivalent de laboratoire d'un trou noir cosmique avec des avantages par rapport aux versions précédemment proposées par d'autres scientifiques, comme expliqué dans un article publié dans Scientific Reports.

Le but reste le même : permettre aux scientifiques d'observer et d'étudier le rayonnement de Hawking sans avoir à entrer dans un véritable trou noir, chose inimaginable avec la technologie actuelle.

TROUS BLANCS ET INTRICATION QUANTIQUE

Pour y parvenir, cette recherche combine plusieurs éléments de manière originale. Tout d'abord, profitez des trous blancs.

Les trous blancs, comme les trous noirs, sont des solutions des équations de la relativité générale, mais ils sont tous les deux paradoxaux l'un de l'autre : si rien ne peut échapper à un trou noir, rien ne peut pénétrer dans un trou blanc.

Deuxièmement, il profite également d'un phénomène mystérieux, l'intrication quantique, qui unit deux particules élémentaires de telle manière que nous pouvons connaître l'une par l'autre, même si elles sont séparées l'une de l'autre.

Ce que l'auteur de cette recherche a fait est de concevoir un circuit électrique qui joue avec les deux composants : les trous noirs et blancs et l'intrication quantique, comme expliqué dans un communiqué.

MATÉRIEL SPÉCIAL

Il a conçu un méta-matériau introuvable dans la nature qui peut générer un rayonnement de Hawking : les particules qui le forment se déplacent à une vitesse supérieure à celle de la lumière et se positionnent dans l'environnement des deux trous (horizon des événements).

Comme Hawking a dit que ce rayonnement est produit par des paires de particules, l'une piégée dans un trou noir et l'autre dans un trou blanc, ce que ces chercheurs ont imaginé est de créer un rayonnement de Hawking en laboratoire en utilisant deux particules en intrication quantique.

Selon Katayama, la particule intriquée observable (celle qui se termine à l'extérieur) contient le reflet miroir de sa particule compagne. De cette façon, la corrélation quantique entre les deux particules peut être déterminée mathématiquement, sans l'observation simultanée des deux particules, ajoute-t-il.
« La détection de cet enchevêtrement est essentielle pour la confirmation du rayonnement de Hawking », explique Katayama
.
Si ce rayonnement se confirmait, nous serions beaucoup plus proches d'une théorie du tout unifiée et circulaire, alliant mécanique quantique et Relativité Générale.

LIMITES

Katayama précise cependant que le rayonnement de Hawking du laboratoire proposé diffère du rayonnement de Hawking du vrai trou noir en raison de la diffusion normale de la lumière : dans cette simulation, les composants de la lumière sont divisés dans une direction, comme dans un arc-en-ciel.

Maintenant, si les composants peuvent être contrôlés pour que certains puissent revenir en arrière et récupérer, le rayonnement Hawking obtenu en laboratoire refléterait la même fréquence positive que le vrai rayonnement Hawking du trou noir, selon Katayama.

Vous étudiez maintenant comment intégrer la diffusion anormale de la lumière pour obtenir un résultat plus comparable.

« À l'avenir, nous aimerions développer ce système de communication quantique entre différents espaces-temps en utilisant le rayonnement de Hawking ; », conclut Katayama, soulignant l'évolutivité et la contrôlabilité du système comme des avantages dans le développement de nouvelles technologies quantiques.

Référence :

Quantum-circuit black hole lasers (Lasers à trous noirs à circuit quantique). Haruna Katayama. Rapports scientifiques volume 11, Numéro d'article : 19137 (2021).