Pr Jeff Steinhauer (Credit photo Nitzan Zohar)

Les scientifiques ont conclu que les «analogues acoustiques»* sont très proches des modèles théoriques impliquant la présence du rayonnement de Hawking… L’équipe de Jeff Steinhauer (avec Juan Ramón Muñoz de Nova, Katrine Golubkov, Victor I. Kolobov) souhaite à présent mener l’étude à une échelle beaucoup plus grande.

Publication dans Nature, 29 mai 2019

Source sputniknews

* Trous noirs acoustiques : la propagation du son dans un fluide en mouvement étant analogue à celle de la lumière dans un espace-temps courbe, les physiciens conçoivent des «trous noirs acoustiques» aux propriétés semblables à celles des trous noirs (source Pour la Science).

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Le Dr David ELbaz*, directeur de recherche au CEA, membre du comité scientifique d’Israël Science Info, commente les travaux du Prof Steinhauer et de son équipe au Technion :

Dr David Elbaz

« En 1972, John Wheeler, le physicien qui donna leur nom aux trous noirs, réalisa que les trous noirs semblaient violer l’un des plus solides principes de la physique, le second principe de la thermodynamique. Un principe sur lequel les scientifiques s’appuient pour donner un sens à la fameuse flèche du temps. Le fait que le temps évolue du passé vers le futur nous semble une évidence mais reste énigmatique à l’échelle des particules élémentaires. Selon le second principe, une propriété que l’on peut associer à un ensemble de particules ne peut qu’augmenter. Cette propriété, l’entropie, caractérise entres autres le nombre d’arrangements que peut prendre cet ensemble de particules. Si je jette un verre par terre, il se brise en plusieurs morceaux étalés de manière aléatoire sur le sol. Il est très peu probable que si je ramassais ces morceaux de verre et que je les lançais en l’air ils retomberaient de sorte à reformer le verre initial. L’entropie du verre brisé est plus grande que celle du verre entier, le verre respecte donc bien le second principe.

Imaginons qu’un trou noir se trouve tout près de moi et qu’au lieu de retomber par terre, les morceaux de verre tombaient dans le trou noir, que se passerait-il ? Si, comme on le pensait alors, ce qui entre dans un trou noir disparait à tout jamais, alors le second principe serait violé car l’entropie associée aux morceaux de verre ayant disparue avec les morceaux de verre dans le trou noir, ce qui reviendrait à provoquer une perte d’entropie. Or l’entropie ne peut pas diminuer mais uniquement augmenter. Voilà ce qui choqua John Wheeler qui soumit le problème à son étudiant Jacob Bekenstein. Quelques mois plus tard, Bekenstein revint avec la solution du problème : l’entropie des morceaux de verre n’a pas disparue. La masse du trou noir augmente quand de la matière s’effondre dedans. Comme le rayon d’un trou noir (son horizon ou rayon de Schwarzschild), augmente avec sa masse, la surface du trou noir a aussi augmenté. Cette surface, cet horizon possède une épaisseur qui ne peut être absolument nulle car la mécanique quantique l’interdit. Cette peau quantique du trou noir doit non seulement présenter une épaisseur, mais aussi une granularité et c’est le nombre de grains de surface du trou noir qui représentent son entropie. Si on suppose que leur nombre est bien ajusté, l’augmentation de surface d’un trou noir associée à la chute des morceaux de verre devrait comptabiliser autant d’arrangements possibles de ces grains qu’il avait d’arrangements possibles des morceaux de verre.

Cette idée fut ensuite reprise par Stephen Hawking avec une implication inévitable dès lors que l’on introduit des propriétés thermodynamiques, comme le nom de cette science l’indique : l’apparition d’une température et donc aussi d’un rayonnement, le fameux rayonnement de Hawking. Dès lors, les trous noirs devenaient des sources de rayonnement. Ce rayonnement n’a encore jamais été détecté dans l’univers, mais de nombreuses études proposent de réaliser en laboratoire des systèmes analogues à la surface d’un trou noir, qui définit un horizon séparant deux zones qui ne peuvent communiquer entre elles.

Le Technion a montré pour la première fois que de l’énergie s’échappe de cet horizon

L’étude publiée dans Nature par de Nova, Goblukov, Kolobov et Jeff Steinhauer utilise un fluide composé d’atomes ultra-froids pour engendrer un telle séparation reproduisant les propriétés de l’horizon d’un trou noir. L’écoulement de ce fluide définit le sens de l’attraction du trou noir et les ondes qui se propagent à la surface du fluide constituent l’analogue de l’énergie qui tente de franchir l’horizon en remontant le courant. Au-delà de cette réalisation, ils ont réussi pour la première fois à montrer que de l’énergie s’échappe de cet horizon par un processus analogue à celui prédit par le mécanisme de Wheeler-Bekenstein-Hawking, mais aussi qu’il se comporte comme on l’attendrait dans le cas de l’émission d’un rayonnement associé à la température de Hawking. Une nouvelle étape vient donc d’être franchie dans la validation de ce phénomène contre-intuitif, l’évaporation des trous noirs. Il ne s’agit ici que d’un système analogue aux trous noirs, donc d’une analogie, mais elle présente cependant un autre intérêt car le mécanisme par lequel de l’énergie et donc de la masse est extraite fait appel à l’absorption d’énergie négative, c’est ce que l’on pense qu’il se passe aussi dans le cas du trou noir. Il peut sembler étrange de parler d’énergie négative, mais souvenons-nous que l’énergie gravitationnelle que l’on subit au quotidien puisqu’elle nous cloue au sol est elle aussi négative ».

*David Elbaz, astrophysicien, est directeur de recherche au Commissariat à l’Energie Atomique (CEA Saclay) où il dirige le laboratoire Cosmologie et Evolution des Galaxies. Il est conseiller scientifique auprès de l’agence spatiale européenne pour la sélection de ses futures missions spatiales (ESA, AWG) et membre du Comité d’évaluation sur la recherche et l’exploration spatiales pour le centre national d’étude spatiales (CNES). Spécialisé dans l’étude de la formation des galaxies, David Elbaz est auteur/co-auteur de 261 publications dont 70 avec plus de 100 citations. Ses travaux sur la formation des galaxies ont été primés par le Prix Chrétien de la Société Américaine d’Astronomie (2000), il a reçu le prix Jaffé 2017 de l’Institut de France. Il enseigne un cours sur la formation des galaxies au master M2 Astronomie & d’Astrophysique de Paris. Il a reçu le Prix du livre Science & Philosophie 2017 de l’association X-Philo de l’école Polytechnique. Il a publié « A la recherche de l’univers invisible : matière noire, énergie noire, trous noirs », en 2016 aux Editions Odile Jacob.