évaporation du trou noir

Le manège tourne : plus on s'assoit loin du centre, plus on est emporté vite. Pour les galaxies, on a longtemps pensé la même chose — les étoiles des confins devraient tourner plus lentement que celles proches du centre. Mais dès les années 1970, on a découvert que dans de nombreuses galaxies spirales, la vitesse des étoiles ne chute presque pas avec la distance au centre.

Un trou noir aspire tout ce qui s'approche trop près. Mais si on y lance non pas un objet unique, mais une paire, l'un des deux peut ressortir en emportant une partie de l'énergie de rotation du trou. Cette astuce, imaginée par Roger Penrose en 1969, ne fonctionne que parce que le trou noir possède un horizon – une frontière au-delà de laquelle rien ne revient.

Une bouilloire qui bout sur la cuisinière finit par s'évaporer complètement — de même, selon les idées classiques, un trou noir devrait peu à peu disparaître dans un sifflement de rayonnement. Mais que se passerait-il si l'on ajoutait un ingrédient spécial à la bouilloire ?

Alice prépare une particule quantique dans l'un de plusieurs états et l'envoie à Bob. Le canal par lequel voyage la particule n'est pas idéal : il est bruyant, il disperse, il interagit avec l'environnement. Bob reçoit le signal et essaie de comprendre ce qu'Alice a exactement envoyé.

Un trou noir n'est pas un aspirateur éternel. Il perd lentement de la masse en émettant des particules, comme une pierre chauffée qui se refroidit en cédant de la chaleur.

Un trou noir dans lequel quelque chose tombe ne se contente pas de s'évaporer pendant des milliards d'années : il peut éclater comme une bulle de savon et devenir son contraire — un trou blanc. Ce scénario est suggéré par des expériences numériques en gravité semi-classique.

Un trou noir n'est pas un sac absolument noir. En 1974, Stephen Hawking a montré qu'il émet de la lumière — faiblement, mais continuellement. Ce rayonnement naît non pas à l'intérieur, mais à l'extérieur, tout près de la frontière d'où même la lumière ne s'échappe pas. Une nouvelle étude précise le tableau.

L'eau se transforme en glace à zéro degré — brusquement, sans états intermédiaires. Quelque chose de similaire se produit avec la complexité lorsque l'on prend un état quantique aléatoire d'un système entier et que l'on ne regarde qu'une partie de celui-ci. Tant que cette partie occupe moins de la moitié du système, sa complexité croît régulièrement.

Un trou noir n'est pas éternel. Même dans le vide le plus total, il perd lentement de l'énergie — ce processus est appelé rayonnement de Hawking. Les effets quantiques près de l'horizon des événements créent des paires de particules, dont l'une s'échappe, emportant une partie de la masse du trou noir.

L'agonie d'un trou noir solitaire dure une éternité. Mais dans les derniers instants, lorsque la masse s'évapore selon la loi découverte par Stephen Hawking, elle a le temps d'envoyer un signal d'adieu radio.

L'horizon cosmologique — la limite de l'univers observable, qui est en expansion accélérée — ressemble à un coffre-fort à minuterie. L'information sur ce qui franchit cette frontière ne disparaît pas, elle revient, mais avec un délai. Des physiciens ont déterminé la durée de cette pause.

La matière noire est la charpente invisible qui soutient les galaxies. Mais comment est-elle apparue ? La réponse standard : les particules de matière noire ont cessé de se heurter et se sont « figées » en la quantité que nous observons aujourd'hui. Cependant, il existe une voie plus subtile : l'UFO, ou congélation ultra-rapide.

Un trou noir ressemble à un coffre-fort qui restitue lentement son contenu — énergie et information — via une faible lueur appelée rayonnement de Hawking. Mais si le coffre s'ouvre trop vite, un « mur de feu » peut s'embraser à sa frontière — une région où les lois habituelles de la physique cessent de fonctionner.

Un trou noir n'est pas un aspirateur éternel. Il s'évapore lentement, émettant de l'énergie, et avec elle, selon les physiciens, il devrait restituer l'information avalée. Mais quand cela commence-t-il exactement ? La réponse est donnée par la courbe de Page, un graphique qui montre combien d'information le trou a déjà libérée et combien il en retient encore.

Un feu de camp ne se consume pas d'un coup. Si l'on jette un œil aux flammes à un instant aléatoire, on ne voit qu'un chaos de langues de feu — et l'on ne peut jamais savoir ce qui a brûlé : une branche humide, un vieux journal ou une brassée d'herbe sèche.

Un trou noir n'est pas un aspirateur éternel. Laissé dans le vide, il disparaît lentement, émettant de l'énergie comme une flaque d'eau qui sèche sur le bitume. Ce processus, prédit par Stephen Hawking, est appelé évaporation. Plus le trou est petit, plus il fond rapidement, et plus son « souffle » est chaud.

Un rayon lumineux glisse le long de l'horizon d'un trou noir — cette frontière invisible d'où rien ne peut s'échapper. Plus le rayon est proche de l'horizon, plus son « temps » propre s'étire lentement — une mesure particulière du chemin, appelée paramètre affine.

Un trou noir, c'est une poche cosmique dans laquelle tout tombe, même la lumière. Mais les travaux pionniers de John Archibald Wheeler, Stephen Hawking et Roger Penrose ont montré que, parfois, à cause de l'immense courbure de l'espace-temps…

Un trou noir ressemble à une braise que l'on croyait capable de couver éternellement, mais qui devait finir par s'éteindre — s'évaporer sans laisser de trace.

Dans l'Univers primordial, des trous noirs primordiaux sont apparus — des objets pas plus gros qu'un atome, mais avec la masse d'une montagne. Ils s'évaporent progressivement et, juste avant de disparaître, devraient générer des ondes gravitationnelles — des ondulations de l'espace-temps.

Un minuscule trou noir — pas plus gros qu'un noyau atomique — flotte dans un nuage d'hydrogène. Il n'avale pas tout ce qui l'entoure, mais s'écoule lentement en rayonnement, maigrissant à chaque instant. Ainsi, une casserole sur la cuisinière ne bout pas immédiatement : d'abord, des bulles courent au fond, puis l'eau frémit de plus en plus fort.

Un morceau de sucre pèse environ un gramme. Mais un trou noir capable de se cacher dans un tel morceau pèserait comme une petite montagne — des milliards de tonnes. Pourtant, même ces minuscules, nés dans les premiers instants après le Big Bang, auraient dû disparaître depuis longtemps.

Un ballon de baudruche avec un motif dessiné se dégonfle — et le motif ondule, se déforme. C'est à peu près ce qui arrive à un trou noir qui s'évapore lentement, perdant de l'énergie par le rayonnement découvert par Stephen Hawking.

Les trous noirs ne sont pas éternels : ils perdent lentement de l'énergie en émettant de l'entropie — une mesure de l'information cachée — sous forme de chaleur. Ce processus a été prédit par Stephen Hawking.

L'eau dans une casserole bout, et des bulles montent du fond. Elles grossissent, remontent et éclatent, et l'eau reste de l'eau. Quelque chose de semblable, ont découvert des physiciens, peut se produire avec l'espace lui-même — si celui-ci contient de l'énergie noire (cette force mystérieuse qui accélère l'expansion de l'univers).

Le tableau standard de l'évaporation d'un trou noir, esquissé par Hawking, a longtemps semblé rassurant : les fluctuations quantiques près de l'horizon engendrent un rayonnement thermique, le trou fond lentement, et l'espace-temps derrière lui…

Une chaudière bouillonnante où éclatent de temps à autre des bulles de vapeur : voilà à quoi ressemblait l'Univers primordial. Tout l'espace était alors rempli d'un champ dans un état de faux vide, comme de l'eau surchauffée au-delà de son point d'ébullition.

L'eau qui coule dans un tuyau peut devenir un piège à son. Si la vitesse du courant dépasse la vitesse du son dans l'eau, les ondes sonores qui tentent de remonter le courant ne peuvent plus s'en échapper : elles sont emportées, comme la lumière au-delà de l'horizon d'un trou noir.

Un caillou jeté dans une mare crée des ondulations courbes, mais de loin elles paraissent droites. Les éclairs de rayons gamma d'un trou noir en évaporation se comportent de la même manière : une explosion lointaine envoie des ondes plates, tandis qu'une explosion proche arrive courbée.

Un journal perd des pages, mais l'histoire migre vers le reste. Les trous noirs agissent de même : en rétrécissant (comme l'a montré Stephen Hawking), l'information avalée ne devrait pas disparaître ; elle refait surface éventuellement. La théorie prédit une courbe en cloche spécifique pour cette évasion.

Une couche d'électrons confinée entre deux plaques de semi-conducteur s'aligne à basse température en un réseau bien ordonné — comme des perles sur un fil tendu entre les doigts. Dès que la température monte, l'ordre s'effondre : le cristal fond. Mais comment il fond exactement est longtemps resté une énigme.

Un trou noir est un endroit d'où même la lumière ne peut s'échapper. Mais la théorie quantique affirme qu'il émet néanmoins une faible lueur. Cette lueur est appelée rayonnement de Hawking. Dans l'espace, on ne peut pas l'observer : il est trop faible. C'est pourquoi les physiciens construisent des modèles de trous noirs à partir de matériaux ordinaires.

Autour d'une jeune étoile tourne une galette plate de gaz et de poussière — le futur matériau des planètes. L'étoile la chauffe avec son ultraviolet, et le gaz de la surface du disque s'échappe dans l'espace, comme l'eau d'une flaque sous le soleil.

La méthode de la « double copie » en physique, c'est un peu comme un tour de cuisine : le cuisinier prend une recette de soupe froide et, en doublant les ingrédients, obtient une recette de rôti chaud.

Un trou noir n'est pas seulement une poubelle cosmique, c'est plutôt un coffre-fort à code secret. Pendant des décennies, on a pensé que tout signal envoyé vers l'horizon des événements était partiellement réfléchi : l'espace-temps courbe agit comme un miroir déformant, et une partie de l'énergie repart toujours en arrière.