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Le déconcertant effet Hawking

20-02-2019

Illustration: Stephen Hawking

Mort le 14 mars 2018 à l’âge de 76 ans, le célèbre astrophysicien Stephen Hawking a bouleversé la science des trous noirs.

Rien ne s’échappe d’un trou noir : ce postulat ne semble pas laisser place à la nuance. Et pourtant, à en croire les travaux de Stephen Hawking, les trous noirs « irradient » bel et bien, émettant un rayonnement. Ce désormais célèbre « rayonnement de Hawking » a été décrit par l’astrophysicien britannique dans Nature en 1974 et a changé le regard de la communauté scientifique sur ces astres… qui ne seraient pas tout à fait noirs !

« En prenant en compte la mécanique quantique, Hawking a montré que les trous noirs émettent un rayonnement d’autant plus important que leur masse est faible, même si cela n’a pas été prouvé expérimentalement », explique Flora Moulin, doctorante au Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie de Grenoble, en France.

Ainsi, les trous noirs sur lesquels l’astrophysicien s’est creusé les méninges sont minuscules : de la taille d’un proton, ils renferment la masse d’une montagne (un milliard de tonnes). « En théorie, des trous noirs de toutes les masses peuvent exister. Ces petits trous noirs se seraient formés dans l’Univers primordial, très dense, dans des conditions extrêmes », ajoute la spécialiste.

Ces microscopiques trous noirs, impossibles à observer, doivent inévitablement être soumis à des phénomènes quantiques, qui sont justement à l’origine de leur rayonnement. Pour comprendre, il faut savoir que le vide n’existe pas en mécanique quantique. Des paires de particule-antiparticule surgissent constamment du néant, au hasard, et s’annihilent instantanément.

Sauf qu’à l’horizon d’un trou noir, il y a des forces de « marée » si intenses que, lorsqu’un tel couple se forme, les partenaires sont séparés. « La particule [d’énergie positive] s’échappe et l’antiparticule [d’énergie négative] va à l’intérieur du trou noir », indique Flora Moulin. Résultat : le trou noir émet des particules et perd sa masse, à mesure que de l’énergie négative y pénètre. D’où la fameuse « évaporation » des trous noirs postulée par Stephen Hawking.

Le hic, c’est que le rayonnement en question est « muet » : il n’est porteur d’aucune information sur la forme, la couleur ou la configuration de la matière qui a jadis plongé dans le trou noir. Or, les lois quantiques affirment qu’aucune information ne peut disparaître et que tout phénomène est plus ou moins réversible.

Stephen Hawking a donc mis au jour un paradoxe déroutant, qui l’a titillé pendant 40 ans. Son ultime travail, détaillé dans un article posthume publié par ses coauteurs des universités Harvard et de Cambridge en octobre 2018, sur la plateforme ArXiV, donne justement des pistes pour résoudre ce « paradoxe de l’information ». Le trio suggère, en gros, que l’information serait stockée à l’horizon du trou noir et non pas à l’intérieur.

L’hypothèse est très contestée, mais elle a le mérite de raviver le débat. Même après sa mort, Stephen Hawking fait des vagues dans l’Univers.

Pour en savoir plus:

Comment photographier un trou noir? Le premier portrait d’un trou noir est sur le point d’être publié. Au-delà de l’exploit technique, ce cliché devrait aider les scientifiques à comprendre ces objets cosmiques qui défient les lois de la physique.

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