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Lorsqu’un trou noir perd de sa masse, il émet un rayonnement dont la température est si faible (proche du zéro absolu pour les trous noirs supermassifs) que cette émission est entièrement noyée dans le « bruit de fond » de l’univers, notamment le fond diffus cosmologique, un rayonnement fossile laissé par le Big Bang, des millions de fois plus chaud. C’est pourquoi l’évaporation d’un trou noir est indétectable : parce qu’aucun de nos instruments ne pourra le mesurer, quelle que soit sa sensibilité. D’où l’intérêt pour les astrophysiciens de recréer des analogues de trous noirs sur Terre : une idée née en 1981 sous la plume du physicien William Unruh, réalisée plus tard en 2014 à l’Institut Technologique du Technion en Israël.
C’est à ce moment-là qu’a été observé pour la première fois le rayonnement de Hawking, sans que l’on parvienne toutefois à comprendre comment l’énergie quittait le trou noir. C’est un tout autre phénomène qui entre en jeu : la « rétroaction », la contre-réaction obligatoire qui compense la libération de ces particules. Grâce aux travaux d’une équipe menée par Lorenzo Procopio, chercheur postdoctoral à l’Université de Paderborn en Allemagne, il vient d’être observé pour la première fois à l’aide d’un analogue de trou noir en fibre optique. Leur étude à ce propos a été publiée le 1er juillet dans la revue Nature, un demi-siècle après l’intuition théorique de Hawking.
Un trou noir de poche
Précisons-le d’emblée : lorsque l’on évoque un analogue de trou noir, il s’agit en réalité d’un dispositif qui obéit aux mêmes lois physiques qu’un vrai trou noir, sans sa masse et sa gravité extrême. Il est bien évidemment impossible de récréer un réel trou noir sur Terre, car la force de gravité nécessaire pour comprimer la matière jusqu’à son horizon des événements (frontière invisible d’un trou noir ou son point de non-retour) détruirait instantanément notre planète.
Il a été mis au point il y a déjà dix ans par Ulf Leonhardt à l’Institut Weizmann en Israël et il a déjà servi, lors d’expériences précédentes, à recréer le rayonnement de Hawking. L‘appareil se compose d’une fibre optique, un fil de verre conducteur de lumière. Deux impulsions laser y sont lancées coup sur coup : la première modifie l’indice de réfraction du verre sur son passage et la lumière y circule plus lentement.
La seconde impulsion, lancée derrière, rencontre cette zone plus lente et s’immobilise à sa limite, retenue sans pouvoir la traverser. Cette dernière reproduit, à l’intérieur de la fibre, ce qu’est l’horizon des événements pour un réel trou noir.
C’est de cette manière qu’ils ont pu observer en direct le phénomène de rétroaction, du moins son équivalent optique. Le rayonnement de Hawking emporte de l’énergie ; par conséquent, la source qui l’a créé doit en abandonner une quantité équivalente. Dans l’analogue, cette source est la première impulsion laser, et sa perte se manifeste par une modification de sa fréquence. En détectant ce décalage, les chercheurs ont observé le processus par lequel un vrai trou noir se viderait de sa substance, une première dans l’histoire de la discipline.
Un pas vers le paradoxe de l’information
Une petite surprise a pris de court les chercheurs, lors de l’expérience, qui s’attendaient à ce que l’émission résulte d’une cascade d’effets optiques se répondant les uns aux autres, comme une réaction en chaîne où chaque phénomène en provoque un autre. Les résultats montrent l’inverse : le rayonnement se forme en une unique interaction qui produit à la fois l’émission et le recul de la source. La rétroaction est donc un phénomène plus « simple » que ce que les spécialistes travaillant sur les analogues de trous noirs l’imaginaient.
Théoriquement la portée de cette expérimentation est considérable, à une réserve près : il est encore impossible d’affirmer que le phénomène observé ici dans une fibre optique vaut également pour un trou noir. Cela dit, si le lien venait à se confirmer un jour, il faciliterait « la compréhension théorique [de la rétroaction] » et offrirait de « nouvelles perspectives pour calculer les effets dans ce type de systèmes [N.D.L.R. : les analogues de trous noirs] », explique Procopio. « Cela pourrait même éclairer la façon dont le rayonnement de Hawking prend naissance sous l’effet de la gravité », continue le chercheur. Hawking, dont les premières théories sur l’évaporation avaient d’abord été accueillies avec un grand scepticisme, aurait certainement ramené cette découverte à ce qui l’a obsédé jusqu’à sa mort : si nous parvenons à comprendre comment un trou noir perd de sa masse par rétroaction, nous sommes peut-être sur le point de savoir où disparaît ce qu’il engloutit.
- Des chercheurs ont recréé un trou noir artificiel en laboratoire, permettant d’observer pour la première fois le phénomène de rétroaction associé au rayonnement de Hawking.
- Cette expérience utilise une fibre optique pour simuler l’horizon des événements d’un trou noir, offrant des perspectives nouvelles sur l’évaporation des trous noirs.
- Les résultats pourraient éclairer la compréhension de la perte de masse des trous noirs et des mystères liés à leur fonctionnement.
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