Les trous noirs ne sont pas vraiment noirs. Selon la physique théorique, ils émettent un léger brouillard fantomatique de particules connu sous le nom de rayonnement Hawking. Ce phénomène est au cœur de certaines des énigmes les plus profondes de la science moderne, mais il reste impossible à observer directement car le signal est beaucoup trop faible pour être détecté par les instruments actuels.
Cependant, une avancée majeure en physique mathématique pourrait enfin permettre aux scientifiques d’étudier indirectement ces émissions insaisissables. En tirant parti d’un concept connu sous le nom de ** « double copie » **, les physiciens ont trouvé un moyen de traduire les mathématiques complexes des trous noirs dans le langage plus gérable de la physique des particules.
La double copie : la pierre de Rosette de la physique
Pour comprendre cette avancée, il faut d’abord s’intéresser aux deux piliers de la physique moderne, qui ont historiquement fonctionné dans des domaines distincts :
- Le modèle standard : Décrit le comportement des particules et des forces subatomiques (à l’exclusion de la gravité).
- Relativité générale : Décrit la gravité et la structure à grande échelle de l’univers.
Pendant des décennies, ces théories ont résisté à l’unification. Mais en 2010, les physiciens ont découvert un lien mathématique surprenant entre eux appelé la double copie. Essentiellement, de nombreux phénomènes gravitationnels peuvent être calculés en prenant des équations de la physique des particules et en les « mettant au carré », en combinant mathématiquement deux copies des équations des particules pour produire un résultat gravitationnel.
« Cela nous permet de calculer des choses que nous n’avions jamais pu calculer auparavant, simplement en recyclant les résultats de manière intelligente », explique Chris White, physicien théoricien à l’Université Queen Mary de Londres.
Cette technique s’est déjà révélée utile pour calculer les ondes gravitationnelles et d’autres effets. Cependant, jusqu’à présent, cette méthode n’avait pas été appliquée avec succès au rayonnement de Hawking.
Traduire le rayonnement de Hawking
Dans une étude récente acceptée par le Journal of High Energy Physics, White et ses collègues ont réussi à traduire le rayonnement de Hawking dans le langage du modèle standard.
Le résultat était inattendu mais élégant. Dans le domaine de la physique des particules, l’équivalent mathématique d’un trou noir émettant un rayonnement Hawking est une particule chargée se diffusant sur une coque sphérique de matière chargée qui s’effondre.
Cette découverte a été confirmée de manière indépendante par deux autres équipes, dont les résultats ont été publiés dans Physical Review Letters. Ces découvertes parallèles suggèrent que la physique régissant les trous noirs est profondément ancrée dans le modèle standard de la physique des particules.
Pourquoi est-ce important :
* Échelles de pont : Le rayonnement de Hawking relie le macroscopique (énormes trous noirs) au microscopique (minuscules particules quantiques). La double copie démontre que ce pont est mathématiquement solide.
* Nouveau pouvoir de calcul : Comme le note Cynthia Keeler de l’Arizona State University, la découverte de cet analogue “constitue une avancée majeure” car elle ouvre la porte au calcul de comportements de trous noirs qui étaient auparavant insolubles.
Résoudre le paradoxe de l’information
Le but ultime de cette recherche n’est pas seulement l’élégance mathématique, mais aussi la résolution de l’un des plus grands mystères de la physique : le paradoxe de l’information sur le trou noir.
Lorsque Stephen Hawking a proposé sa théorie des radiations en 1974, il a créé un problème par inadvertance. Si les trous noirs émettent des radiations et finissent par s’évaporer, qu’arrive-t-il aux informations sur la matière qu’ils ont avalée ? La mécanique quantique dicte que l’information ne peut pas être détruite, mais la relativité générale suggère qu’elle disparaît lorsque le trou noir disparaît.
En traduisant le rayonnement de Hawking dans le langage de la physique des particules, les scientifiques espèrent retracer plus clairement cette information. Anton Ilderton de l’Université d’Édimbourg, co-auteur de l’une des études, explique que ces articles montrent “comment extraire ces informations du modèle standard”.
Et ensuite ?
Même si la traduction du rayonnement de Hawking constitue une étape importante, les physiciens se tournent déjà vers des problèmes encore plus difficiles. La prochaine cible majeure est l’horizon des événements, la limite au-delà de laquelle rien, pas même la lumière, ne peut s’échapper.
Uri Kol de l’Université Harvard souligne le potentiel de cette nouvelle boîte à outils : « Ces articles fournissent des outils qui peuvent être utilisés pour répondre à cette question. » En continuant à cartographier les phénomènes gravitationnels sur la physique des particules, les chercheurs pourraient bientôt percer les secrets cachés derrière l’horizon des événements.
Conclusion
La découverte d’un analogue mathématique du rayonnement de Hawking marque un moment charnière dans la physique théorique. En utilisant la « double copie » pour traduire le comportement des trous noirs dans le langage de la physique des particules, les scientifiques ont acquis un nouvel outil puissant pour explorer les environnements les plus extrêmes de l’univers. Cette approche simplifie non seulement les calculs complexes, mais offre également une voie prometteuse vers la résolution du conflit de longue date entre la gravité et la mécanique quantique.
