Le miroir parabolique à l'arrière-plan concentre la lumière rouge foncé dans la fibre qui brille en bleu vif à l'autre extrémité. Un tout petit peu de la lumière vive est le rayonnement de Hawking, que les chercheurs ont extrait et mesuré. Crédit :Drori et al.
Des chercheurs de l'Institut des sciences Weizmann et de Cinvestav ont récemment mené une étude testant la théorie du rayonnement de Hawking sur des analogues de laboratoire des trous noirs. Dans leurs expériences, ils ont utilisé des impulsions lumineuses dans des fibres optiques non linéaires pour établir des horizons d'événements artificiels.
En 1974, le célèbre physicien Stephen Hawking a émerveillé le monde de la physique avec sa théorie du rayonnement de Hawking, qui suggérait que plutôt que d'être noir, les trous noirs devraient briller légèrement en raison des effets quantiques près de l'horizon des événements du trou noir. Selon la théorie de Hawking, le fort champ gravitationnel autour d'un trou noir peut affecter la production de paires correspondantes de particules et d'antiparticules.
Si ces particules sont créées juste en dehors de l'horizon des événements, le membre positif de cette paire de particules pourrait s'échapper, résultant en un rayonnement thermique observé émis par le trou noir. Ce rayonnement, qui fut plus tard appelé rayonnement de Hawking, serait donc constitué de photons, neutrinos et autres particules subatomiques. La théorie du rayonnement de Hawking a été parmi les premières à combiner les concepts de la mécanique quantique avec la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein.
"J'ai appris la Relativité Générale en 1997 en donnant un cours, pas en suivant un cours, " Ulf Léonhardt, l'un des chercheurs qui a mené l'étude récente, Raconté Phys.org . "C'était une expérience assez stressante où j'avais quelques semaines d'avance sur les étudiants, mais j'ai vraiment appris à connaître la Relativité Générale et j'en suis tombé amoureux. À juste titre, cela s'est également produit à Ulm, Lieu de naissance d'Einstein. Depuis, J'ai recherché des liens entre mon domaine de recherche, Optique quantique et Relativité Générale. Mon objectif principal est de démystifier la Relativité Générale. Si, comme moi et d'autres l'avons montré, les matériaux optiques ordinaires comme le verre agissent comme des espaces courbes, alors l'espace-temps courbe de la Relativité Générale devient quelque chose de tangible, sans perdre son charme."
En collaboration avec son premier doctorat. étudiant Paul Piwnicki, Leonhardt a rassemblé quelques idées initiales sur la façon de créer des trous noirs optiques, qui ont été publiés en 1999 et 2000. En 2004, il a finalement mis au point une méthode qui a réellement fonctionné, qui est celui utilisé dans sa récente étude.
"Imaginer, comme dans les expériences de gedanken d'Einstein, lumière chassant après une autre impulsion de lumière, " Leonhardt a expliqué. " Supposons que toute la lumière voyage à l'intérieur d'une fibre optique. Dans la fibre de verre, l'impulsion change la vitesse de la lumière en la chassant un peu, de telle sorte que la lumière ne puisse pas dépasser le pouls. Il connaît un horizon de trou blanc; un endroit où il ne peut pas entrer. Le front de l'impulsion agit comme l'exact opposé :un horizon de trou noir, un endroit que la lumière ne peut quitter. C'est l'idée en un mot."
Leonhardt et ses collègues ont publié et démontré cette idée en 2008. Par la suite, ils ont essayé de l'utiliser pour démontrer le rayonnement de Hawking.
Le rayonnement de Hawking n'a jamais été observé directement dans l'espace, car ce n'est pas faisable actuellement. Cependant, il peut être démontré dans des environnements de laboratoire, par exemple, utilisant des condensats Bose-Einstein, vagues d'eau, polaritons ou lumière. Autrefois, plusieurs chercheurs ont essayé de tester le rayonnement de Hawking en laboratoire en utilisant ces techniques, pourtant la plupart de leurs études étaient, En réalité, problématiques et ont donc été contestées.
Cette image montre une image au microscope électronique de l'intérieur d'une des fibres des chercheurs. Les fibres sont des fibres à cristaux photopiques sophistiquées. Ils sont aussi fins qu'un cheveu humain et à l'intérieur, ils portent des structures de trous qui guident la lumière au centre. Crédit :Drori et al.
Par exemple, certaines découvertes antérieures obtenues avec des impulsions lumineuses intenses dans des supports optiques se sont avérées incompatibles avec la théorie. Plutôt que d'observer le rayonnement de Hawking émis par les horizons, comme les auteurs eux-mêmes l'ont découvert plus tard, ils avaient, En réalité, rayonnement observé sans horizon créé par leurs impulsions lumineuses, car ils dépassaient la vitesse de phase de la lumière pour d'autres fréquences. D'autres études tentant d'observer le rayonnement de Hawking sur les vagues d'eau et dans les condensats de Bose-Einstein se sont également avérées problématiques.
Discuter des résultats de ces études avec Monde de la physique , Léonhardt a écrit, "J'admire beaucoup l'héroïsme des gens qui les font, et leurs compétences techniques et leur expertise, mais c'est un sujet difficile. » Il a également écrit :« Les horizons sont des pièges parfaits; il est facile de se coincer derrière eux sans s'en apercevoir, et cela s'applique à la recherche d'horizon, également. Nous apprenons et devenons des experts selon la définition classique :un expert est quelqu'un qui a fait toutes les erreurs possibles (et a appris d'elles)."
Comme l'ont prouvé les efforts précédents, observer le rayonnement de Hawking en laboratoire est une tâche très difficile. L'étude menée par Leonhardt et ses collègues pourrait être la première démonstration valable du rayonnement de Hawking en optique.
"Les trous noirs sont entourés de leurs horizons événementiels, " expliqua Leonhardt. " L'horizon marque la frontière où la lumière ne peut plus s'échapper. Hawking a prédit qu'à l'horizon, des quanta de lumière, des photons, sont créés. Un photon apparaît à l'extérieur de l'horizon et est capable de s'échapper, tandis que son partenaire apparaît à l'intérieur et tombe dans le trou noir. Selon la mécanique quantique, les particules sont associées aux ondes. Le photon à l'extérieur appartient à une onde qui oscille avec une fréquence positive, l'onde de son partenaire à l'intérieur oscille avec une fréquence négative."
Dans leur étude, Leonhardt et ses collègues ont fait la lumière sur les fréquences positives et négatives. Leur lumière à fréquence positive était infrarouge, tandis que celui à fréquence négative était ultraviolet. Les chercheurs les ont détectés tous les deux et les ont ensuite comparés à la théorie de Hawking.
Le tout petit peu de lumière ultraviolette qu'ils ont réussi à détecter à l'aide d'un équipement sensible est le premier signe clair d'un rayonnement de Hawking stimulé dans l'optique. Ce rayonnement est appelé « stimulé » car il est stimulé par la lumière de la sonde que les chercheurs ont envoyée pour chasser les impulsions.
"Notre découverte la plus importante, peut-être, c'est que les trous noirs ne sortent pas de l'ordinaire, mais qu'elles ressemblent beaucoup à ce que les impulsions lumineuses font à la lumière ordinaire dans les fibres, " a déclaré Leonhardt. " Démontrer des phénomènes quantiques subtils comme le rayonnement de Hawking n'est pas facile. Il faut des impulsions extrêmement courtes, fibres extraordinaires, équipements sensibles et, enfin et surtout, le travail acharné d'étudiants dévoués. Mais même le rayonnement de Hawking est quelque chose que l'on peut réellement comprendre."
L'étude menée par Leonhardt et ses collègues est une contribution importante au domaine de la physique, car il fournit la première démonstration en laboratoire du rayonnement de Hawking en optique. Les chercheurs ont également trouvé que l'analogie avec les horizons d'événements était remarquablement robuste, malgré pousser l'optique à l'extrême, ce qui a accru leur confiance dans la validité de leurs théories.
« Nous devons maintenant améliorer notre configuration pour nous préparer au prochain grand défi :l'observation du rayonnement de Hawking spontané, " dit Leonhardt. " Dans ce cas, le rayonnement n'est plus stimulé, sauf par les fluctuations inévitables du vide quantique. Nos prochains objectifs sont des étapes qui améliorent l'appareil et testent divers aspects du rayonnement de Hawking stimulé, avant d'aller jusqu'au rayonnement spontané de Hawking."
© 2019 Réseau Science X
