Les physiciens ont trouvé une nouvelle façon d’enquêter sur une énigme de longue date des trous noirs en utilisant les mathématiques de la physique des particules.
Les trous noirs ne sont pas entièrement noirs. Ils émettent un léger brouillard de particules appelé rayonnement Hawking, un concept central des énigmes majeures qui tourbillonnent autour des trous noirs. Mais le rayonnement de Hawking est si faible qu’il n’est pas possible de l’observer directement.
Aujourd’hui, plusieurs équipes de physiciens ont trouvé un nouvel angle sur le phénomène. Ils tirent parti d’un lien mathématique entre deux types de physique apparemment distincts – un lien connu sous le nom de double copie.
Les théories de la physique fondamentale se répartissent en deux camps distincts : une théorie appelée modèle standard décrit la physique des particules subatomiques, tandis que la théorie de la relativité générale décrit la gravité. La double copie établit un lien mathématique entre ces deux théories apparemment distinctes. Cette relation peut être utilisée comme outil de traduction mathématique, faisant passer un calcul d’un « langage » de la physique à un autre. L'échange peut faciliter les calculs ou révéler de nouvelles informations.
Selon la double copie, de nombreux phénomènes de la relativité générale sont mathématiquement équivalents à ceux de certaines particules du modèle standard, à une différence près : en relativité générale, il existe deux copies d'une partie particulière de l'équation. Depuis que cette relation a été découverte en 2010 et développée au cours des années qui ont suivi, elle est devenue un outil utile pour comprendre divers effets gravitationnels.
« Cela nous permet de calculer des choses que nous n'avions jamais pu calculer auparavant, simplement en recyclant les résultats de manière intelligente », explique le physicien théoricien Chris White de l'Université Queen Mary de Londres.
Jusqu'à présent, les scientifiques ne disposaient pas d'un modèle standard analogue pour le rayonnement de Hawking basé sur la double copie. En trouver une «constitue une avancée majeure pour ces techniques», déclare la physicienne théoricienne Cynthia Keeler de l'Arizona State University à Tempe, qui n'a pas participé à la recherche. C'est parce que le rayonnement de Hawking relie le grand et le petit, avec d'énormes trous noirs émettant de minuscules particules. La découverte montre que la double copie peut combler les deux échelles.
Dans un article accepté par le Journal de physique des hautes énergies, White et ses collègues ont déterminé comment le rayonnement de Hawking se traduit dans le langage du modèle standard. Dans ce langage, l’alter ego mathématique du rayonnement de Hawking est une particule chargée se diffusant sur une coque sphérique de matière chargée s’effondrant sur elle-même. C'est mathématiquement équivalent à l'émission d'une particule de rayonnement Hawking.
Deux autres équipes sont arrivées essentiellement à la même conclusion, trouvant un analogue mathématique du rayonnement de Hawking. Signalé en février dans Lettres d'examen physique, Ces deux articles montrent que la physique intrinsèque aux trous noirs est contenue dans le modèle standard de la physique des particules, explique le physicien théoricien Anton Ilderton de l'Université d'Édimbourg, co-auteur de l'une des études. « Ces articles ont commencé à montrer comment extraire ces informations du modèle standard. »
Les scientifiques espèrent ainsi explorer des caractéristiques encore plus impénétrables des trous noirs. Par exemple, les chercheurs aimeraient également trouver un modèle standard analogue pour l’horizon des événements d’un trou noir, la limite au-delà de laquelle rien de ce qui entre ne peut s’échapper. « C'est la grande question à laquelle nous aimerions répondre », déclare le physicien théoricien Uri Kol de l'Université Harvard, qui n'a pas participé à la recherche. « Ces articles fournissent des outils qui peuvent être utilisés pour répondre à cette question.»
Le rayonnement Hawking à lui seul est suffisamment intrigant pour une étude plus approfondie. Après que le physicien Stephen Hawking ait conçu le rayonnement en 1974, les physiciens ont réalisé que cela impliquait un casse-tête. Lorsqu’un trou noir crache des particules, il rétrécit et finit par s’effacer. Les physiciens ne comprennent pas ce qui arrive aux informations qu’ils ont avalées. Selon la physique quantique, l’information ne peut être détruite. L'étude des caractéristiques du rayonnement Hawking traduites dans le langage du modèle standard peut aider à éclaircir ce qui se passe.
Le rayonnement de Hawking est un problème de « pierre de Rosette », déclare le physicien théoricien John Joseph Carrasco de l'Université Northwestern à Evanston, dans l'Illinois, co-auteur de l'un des Lettres d'examen physique papiers. En l’étudiant, les physiciens pourraient maîtriser davantage le langage de la gravité.