Les trous noirs sont des régions de l'espace où la gravité est très forte, si forte que rien de ce qui y pénètre ne peut s'en échapper, y compris la lumière. Les prédictions théoriques suggèrent qu'il existe un rayon entourant les trous noirs connu sous le nom d'horizon des événements. Une fois que quelque chose dépasse l'horizon des événements, il ne peut plus échapper à un trou noir, à mesure que la gravité devient plus forte à mesure qu'elle s'approche de son centre.

Le physicien théoricien Stephen Hawking a prédit que si rien ne peut s'échapper de l'intérieur d'eux, les trous noirs émettent spontanément une quantité limitée de lumière, qui est connu sous le nom de rayonnement de Hawking. Selon ses prédictions, ce rayonnement est spontané (c'est-à-dire il naît de rien) et stationnaire (c'est-à-dire, son intensité ne change pas beaucoup dans le temps).

Des chercheurs du Technion-Israel Institute of Technology ont récemment mené une étude visant à tester les prédictions théoriques de Hawking. Plus précisement, ils ont examiné si l'équivalent du rayonnement de Hawking dans un "trou noir artificiel" créé en laboratoire était stationnaire.

"Si vous allez à l'intérieur de l'horizon des événements, il n'y a aucun moyen de sortir, même pour la lumière, " Jeff Steinhauer, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Le rayonnement de Hawking commence juste en dehors de l'horizon des événements, où la lumière peut à peine s'échapper. C'est vraiment bizarre parce qu'il n'y a rien là-bas; c'est un espace vide. Pourtant ce rayonnement part de rien, sort, et se dirige vers la Terre."

Le trou noir artificiel créé par Steinhauer et ses collègues mesurait environ 0,1 millimètre de long et était constitué d'un gaz composé de 8000 atomes de rubidium, qui est un nombre relativement faible d'atomes. Chaque fois que les chercheurs le prenaient en photo, le trou noir a été détruit. Pour observer son évolution dans le temps, ils devaient donc produire le trou noir, prenez-en une photo et créez-en une autre. Ce processus a été répété plusieurs fois, Pendant des mois.

Le rayonnement de Hawking émis par ce trou noir analogique est constitué d'ondes sonores, plutôt que des ondes lumineuses. Les atomes de rubidium circulent plus vite que la vitesse du son, les ondes sonores ne peuvent donc pas atteindre l'horizon des événements et s'échapper du trou noir. En dehors de l'horizon des événements, cependant, le gaz s'écoule lentement, afin que les ondes sonores puissent se déplacer librement.

"Le rubidium coule vite, plus rapide que la vitesse du son, et cela signifie que le son ne peut pas aller à contre-courant, " expliqua Steinhauer. " Disons que vous essayiez de nager à contre-courant. Si ce courant va plus vite que vous ne pouvez nager, alors tu ne peux pas avancer, vous êtes repoussé car le flux va trop vite et en sens inverse, donc tu es coincé. C'est à quoi ressemblerait être coincé dans un trou noir et essayer d'atteindre l'horizon des événements de l'intérieur."

Selon les prédictions de Hawking, le rayonnement émis par les trous noirs est spontané. Dans l'une de leurs études précédentes, Steinhauer et ses collègues ont pu confirmer cette prédiction dans leur trou noir artificiel. Dans leur nouvelle étude, ils ont entrepris de déterminer si le rayonnement émis par leur trou noir est également stationnaire (c'est-à-dire, s'il reste constant dans le temps).

"Un trou noir est censé rayonner comme un corps noir, qui est essentiellement un objet chaud qui émet un rayonnement infrarouge constant (c'est-à-dire, rayonnement du corps noir), " a déclaré Steinhauer. " Hawking a suggéré que les trous noirs sont comme des étoiles ordinaires, qui émettent en permanence un certain type de rayonnement, constamment. C'est ce que nous avons voulu confirmer dans notre étude, et nous l'avons fait."

Le rayonnement de Hawking est composé de paires de photons (c. particules légères) :une émergeant d'un trou noir et une autre retombant dedans. En essayant d'identifier le rayonnement de Hawking émis par le trou noir analogique qu'ils ont créé, Steinhauer et ses collègues ont donc recherché des paires d'ondes sonores similaires, l'un sort du trou noir et l'autre y pénètre. Une fois qu'ils ont identifié ces paires d'ondes sonores, les chercheurs ont tenté de déterminer s'il y avait des soi-disant corrélations entre eux.

"Nous avons dû collecter beaucoup de données pour voir ces corrélations, " a déclaré Steinhauer. " Nous avons donc pris 97, 000 répétitions de l'expérience; un total de 124 jours de mesure continue."

Globalement, les résultats semblent confirmer que le rayonnement émis par les trous noirs est stationnaire, comme prédit par Hawking. Bien que ces résultats s'appliquent principalement au trou noir analogique qu'ils ont créé, des études théoriques pourraient aider à confirmer si elles peuvent également être appliquées à de vrais trous noirs.

« Notre étude soulève également des questions importantes, parce que nous avons observé toute la durée de vie du trou noir analogique, ce qui signifie que nous avons également vu comment le rayonnement de Hawking a commencé, " a déclaré Steinhauer. " Dans les études futures, on pourrait essayer de comparer nos résultats avec les prédictions de ce qui se passerait dans un vrai trou noir, pour voir si le « vrai » rayonnement de Hawking part de rien puis s'accumule, comme nous l'avons observé."

À un moment donné au cours des expériences des chercheurs, le rayonnement entourant leur trou noir analogique est devenu très fort, comme le trou noir a formé ce que l'on appelle un « horizon intérieur ». En plus de l'horizon des événements, La théorie de la relativité générale d'Einstein prédit l'existence d'un horizon intérieur, un rayon à l'intérieur des trous noirs qui délimite une autre région plus proche de son centre.

Dans la région à l'intérieur de l'horizon intérieur, l'attraction gravitationnelle est beaucoup plus faible, ainsi les objets peuvent se déplacer librement et ne sont plus attirés vers le centre du trou noir. Pourtant, ils sont toujours incapables de quitter le trou noir, car ils ne peuvent pas traverser l'horizon intérieur dans la direction opposée (c'est-à-dire, vers l'horizon des événements).

"Essentiellement, l'horizon des événements est la sphère extérieure d'un trou noir, et à l'intérieur, il y a une petite sphère appelée l'horizon intérieur, " dit Steinhauer. " Si vous tombez à travers l'horizon intérieur, alors tu es toujours coincé dans le trou noir, mais au moins, vous ne ressentez pas la physique étrange d'être dans un trou noir. Vous seriez dans un environnement plus "normal", car l'attraction de la gravité serait plus faible, pour que tu ne le sentes plus."

Certains physiciens ont prédit que lorsqu'un trou noir analogique forme un horizon intérieur, le rayonnement qu'il émet devient plus fort. De façon intéressante, c'est exactement ce qui s'est passé dans le trou noir analogique créé par les chercheurs du Technion. Cette étude pourrait ainsi inspirer d'autres physiciens à étudier l'effet de la formation d'un horizon interne sur l'intensité du rayonnement de Hawking d'un trou noir.

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