rayonnement de hawking
© NASA
L'un des paradoxes les plus célèbres du physicien Stephen Hawking pourrait enfin être résolu. Une étude suggère en effet que les trous noirs pourraient en réalité contenir des informations sur les étoiles massives qui en sont à l'origine. Ces résultats sont publiés dans la revue Physics Letters B.

Le rayonnement de Hawking

En physique classique, les trous noirs sont des objets relativement « simples » qui peuvent être caractérisés par trois facteurs : leur masse, leur moment cinétique et leur charge électrique. Les étoiles massives qui en sont à l'origine sont en revanche beaucoup plus complexes, constituées d'un assemblage compliqué de protons, d'électrons et de neutrons réunis pour former les éléments.

Faisons maintenant un point sur le rayonnement de Hawking. Il s'agit d'un phénomène qui se produit à proximité des trous noirs. Selon la théorie de la relativité générale et la mécanique quantique, des particules virtuelles apparaissent constamment à proximité de la limite de l'horizon d'un trou noir. Habituellement, ces particules s'annulent immédiatement. Cependant, en raison d'effets quantiques, il est possible que l'une de ces particules soit piégée dans l'horizon d'un trou noir, tandis que l'autre s'échappe. Ce processus conduit à une émission de rayonnement à partir du trou noir (d'où le nom rayonnement de Hawking).

Ce rayonnement est important, car il suggère que les trous noirs ne sont pas complètement « noirs ». Ils émettent en réalité de l'énergie, contredisant ainsi l'idée traditionnelle que rien ne peut s'échapper de ces objets à la force de gravité considérable.

Le paradoxe du rayonnement de Hawking

Selon les travaux de Hawking menés au milieu des années 70, ce rayonnement « s'échappe » lentement des trous noirs sous forme d'énergie thermique. En raison de sa nature thermique, ce rayonnement ne peut alors pas transporter d'informations. Sur d'immenses périodes de temps, la fuite de ce rayonnement provoquerait alors l'évaporation complète des trous noirs et donc, par extension, de toutes les informations sur les étoiles qui les ont créés.

Or, cette théorie contredit la loi de conservation de l'information prônée en physique quantique. Selon cette loi, l'information ne peut en effet être ni créée ni détruite. Elle ne peut être que transférée ou transformée. Le paradoxe est donc de savoir comment concilier la prédiction de l'émission de rayonnement de Hawking avec la conservation de l'information. Plusieurs hypothèses et théories ont été proposées pour résoudre ce paradoxe, y compris l'idée que l'information n'est en réalité pas perdue, mais simplement cachée quelque part.
trou noir lumiere hawking
© Carl Knox
Une énigme résolue ?

Dans le cadre de leurs travaux, des chercheurs de l'Université du Sussex (Angleterre) et de l'Université du Michigan (États-Unis) ont tenté de résoudre ce problème. Pour cette nouvelle recherche, l'équipe a réévalué les calculs de Hawking en prenant également en compte les effets de la gravité quantique (la description de la gravité selon les principes de la mécanique quantique), ce que Hawking n'avait pas fait à son époque.

Bien que ces corrections gravitationnelles quantiques aient été minuscules, elles ont été cruciales. Les calculs suggèrent en effet que ces derniers modifient le rayonnement de Hawking de telle manière que ce rayonnement devient non thermique. Autrement dit, en tenant compte de la gravité quantique, le rayonnement peut contenir des informations.

Ces travaux ont donc permis d'identifier le processus physique par lequel l'information s'échappe d'un trou noir grâce au rayonnement de Hawking et comment elle pourrait être récupérée par un observateur extérieur. Cependant, le faire nécessiterait un instrument suffisamment sensible pour mesurer le rayonnement de Hawking, ce qui est actuellement hors de notre portée. Une manière de faire progresser cette idée serait d'étudier des modélisations mathématiques de ce rayonnement en laboratoire.