Voici ce qui s'est passé lorsque les physiciens ont simulé un trou noir dans un laboratoire

Alors que les scientifiques se rapprochent de plus en plus de compréhension de la nature des trous noirs, cela ne rend pas ces objets cosmologiques fascinants moins mystérieux. Les trous noirs sont des concentrations de matière si dense que même la lumière ne peut pas s'échapper. Cette zone de matière serrée, connue sous le nom de singularité, est entourée d'une frontière appelée l'horizon de l'événement – la surface du trou noir et le point au-delà de laquelle la vitesse nécessaire pour s'échapper dépasse la vitesse de la lumière. Puisque rien n'est plus rapide que la lumière, rien ne peut échapper à un trou noir une fois qu'il tombe à l'intérieur de l'horizon de l'événement.

Malheureusement (ou heureusement en fonction de la façon dont vous le regardez), nous ne pouvons pas nous rapprocher suffisamment pour vraiment étudier un trou noir. L'exemple connu le plus proche, Gaia BH1, est à environ 1 500 années-lumière de la Terre, et ce n'est qu'en 2019 que les astronomes ont capturé la toute première image floue d'un trou noir – un objet qui semblait alarmant similaire à l'œil de Sauron de  » Le seigneur des anneaux. « 

Mais il s'avère que nous n'avons pas nécessairement besoin de parcourir 1 500 années-lumière pour nous rapprocher d'un phénomène cosmologique aussi inquiétant. Au moins, nous n'avons pas besoin de voyager jusqu'à présent pour vivre un horizon d'événements. En 2022, les physiciens ont réussi à simuler un trou noir dans le laboratoire et, comme vous pouvez vous y attendre, les choses sont devenues bizarres très rapidement.

En novembre 2022, une équipe de physiciens de l'Université d'Amsterdam aux Pays-Bas a créé une version d'un horizon d'événements dans le laboratoire. Ils ont présenté leurs résultats dans un article intitulé « Thermarisation by a Synthetic Horizon », publié dans Physical Review Research. Comme vous pouvez l'imaginer, la création d'un trou noir dans un laboratoire est plus qu'un peu complexe, mais en termes simples, les chercheurs ont réussi à simuler l'horizon d'événement d'un trou noir en utilisant une chaîne d'atomes.

Dirigée par le chercheur de doctorat Lotte Mertens, le groupe a organisé une chaîne d'atomes à un seul fichier qu'ils ont manipulé pour simuler l'horizon des événements d'un trou noir. Plus précisément, les chercheurs ont réglé la facilité avec laquelle les électrons pourraient passer de l'atome à l'atome, créant ainsi un horizon d'événements synthétiques. Après cela, l'équipe a manipulé la chaîne d'atomes de sorte qu'un morceau de celui-ci a dépassé l'horizon de l'événement qu'il avait créé et a noté une pic de température en conséquence. Peut-être plus significatif était le fait que les chercheurs ont vu leur horizon d'événement simulé commencer à briller, ce qui fournit des preuves supplémentaires d'un phénomène connu sous le nom de rayonnement Hawking.

En 1974, le physicien Stephen Hawking a proposé un concept théorique qui est devenu connu sous le nom de «rayonnement de colportage». En termes simples, il fait référence aux particules créées à l'horizon de l'événement d'un trou noir. On pense que ces particules sont causées par l'immense traction gravitationnelle des trous noirs déformant l'espace-temps et provoquant des perturbations dans quelque chose appelé le champ quantique.

Le champ Quantum est un terme qui fait réellement référence à plusieurs champs qui sont omniprésents dans tout l'univers. Le concept propose qu'à la moindre échelle, notre univers est composé de différents champs – tout comme le champ magnétique – de sorte que même lorsqu'il ne semble pas y avoir de présent la forme de divers champs quantiques. Lorsque des perturbations ou des excitations dans ces champs se produisent et que les ondulations se forment, ce que nous appelons des particules sont créées. En d'autres termes, une particule n'est qu'une ondulation dans un certain champ. Mais même sans perturbations majeures, les champs quantiques produisent constamment ce que l'on appelle des «particules virtuelles» – des paires de particules et d'antiparticules qui apparaissent et sortent de l'existence tout le temps.

Hawking s'est concentré sur l'idée que ce processus se déroule directement sur l'horizon de l'événement d'un trou noir. Le physicien a théorisé que si, après qu'une paire de particules virtuelles soit produite au bord de l'horizon, on pourrait traverser l'horizon de l'événement et se faire piéger dans le trou noir, tandis que son homologue resterait en existence en dehors de l'horizon de l'événement. Cette particule restante est ce que l'on appelle le rayonnement de colportage « et est la clé des résultats de l'expérience d'Amsterdam.

Étant donné que l'humanité n'a jamais observé un trou noir ou son gros plan de l'horizon des événements, le rayonnement de colportage n'a jamais été observé. Même si nous pouvions nous rapprocher suffisamment d'un trou noir pour observer l'horizon de l'événement, la quantité de photons colportées prévue est considérée pour que nos télescopes soient détectés.

C'est pourquoi l'expérience d'Amsterdam est si intrigante. On pense que la création de particules de rayonnement de colportage entraîne une faible lueur de rayonnement similaire au rayonnement thermique – une lueur comme celle observée par les chercheurs. Essentiellement, alors, alors que ce n'était pas la première fois qu'un analogue de trou noir est créé dans un laboratoire, l'expérience était la première fois que les chercheurs pouvaient régler un analogue d'horizon pour produire des rayonnements, ajoutant ainsi plus de preuves en faveur de Stephen Hawking à Stephen Hawking théorie.

Les physiciens souhaitent explorer le rayonnement de colportage car il a des implications pour les deux théories majeures qui expliquent comment fonctionne la nature. L'une est la théorie générale de la relativité – l'une des principales percées d'Albert Einstein – qui décrit la force de la gravité et le monde naturel au niveau macro. L'autre est la mécanique quantique, qui décrit le comportement des particules au niveau subatomique et couvre les forces de l'électromagnétisme et les deux forces nucléaires. Les deux théories sont restées incompatibles depuis leur création, incitant les scientifiques à rechercher une seule théorie unifiée, autrement connue sous le nom de théorie de tout, pour expliquer comment fonctionne la réalité. Hawking Radiation combine des éléments des deux théories et est donc un concept extrêmement excitant qui pourrait avoir des réponses à certains des plus grands problèmes auxquels sont confrontés les physiciens. Cette dernière expérience est une autre étape vers le fait de combler l'écart entre les deux théories.