Vers un trou noir de table pour observer le rayonnement de Hawking ?

Le professeur Ulf Leonhardt, titulaire de la chaire de physique théorique de l’Université de St Andrews, a profité de la conférence « Cosmology meets condensed matter », organisée les 28 et 29 janvier 2008 à la Royal Society, pour décrire la première observation expérimentale des effets optiques classiques des horizons des évènements des trous noirs (voir encadré et figure 1) et pour démontrer comment le dispositif expérimental, utilisant fibre optique et laser, mis au point avec ses collègues, combine plusieurs caractéristiques prometteuses pour démontrer l’existence du rayonnement de Hawking.

Les analogues des trous noirs

Un trou noir est une région de l’espace dans laquelle le champ gravitationnel est si intense que rien ne peut s’en échapper après avoir dépassé l’horizon des évènements. En fait, l’horizon des évènements d’un trou noir gravitationnel est l’endroit où la force de gravité devient tellement forte que même la lumière ne peut s’échapper du trou noir : il s’agit en quelque sorte de la frontière, bien que cet horizon ne soit pas un objet tangible.

Les analogues des trous noirs réalisés en laboratoire sont inspirés par l’idée suivante : la géométrie espace-temps d’un trou noir ressemble à une rivière, soit un milieu en mouvement, coulant vers une cascade, la singularité. On imagine alors que des vagues se propagent à contre courant dans la rivière avec une vitesse c’ : elles jouent le rôle de la lumière et c’ représente c, la vitesse de la lumière dans le vide. On suppose ensuite que, plus la rivière s’approche de la cascade, plus elle coule vite et que, à un certain point, la vitesse du flux v est supérieure à c’. Au-delà de ce point, les vagues ne peuvent plus se propager en amont de la rivière : ce point de non retour correspond à l’horizon du trou noir.
On peut également imaginer une autre situation, celle d’une rivière rapide se jetant dans la mer et ralentissant à son approche. Les vagues ne peuvent pénétrer dans la rivière au-delà du point où la vitesse du flux est supérieure à la vitesse de propagation de la vague : cette rivière ressemble alors à un objet dans lequel rien ne peut pénétrer, un trou blanc.

JPEG - 7.8 ko
Figure 1 : Analogue d’un trou noir

Rien, pas même de la lumière, ne peut s’échapper d’un trou noir gravitationnel. Cependant, en appliquant les principes de la théorie quantique des champs, le physicien britannique Stephen Hawking a prédit que le trou noir n’est pas totalement noir mais émet un rayonnement. Celui-ci trouve son origine dans la création de paires particule-antiparticule, l’une s’échappant du champ gravitationnel du trou noir et l’autre étant happée au-delà de l’horizon des évènements (voir figure 2). Vu d’un côté de l’horizon, le trou noir gravitationnel se comporte alors comme un corps noir libérant un rayonnement thermique, dit de Hawking. Mais, pour les trous noirs typiques, la température de Hawking est bien inférieure à la température du fond diffus cosmologique, si bien qu’une observation du rayonnement en astrophysique semble peu probable. Des physiciens se sont donc attelés à la création d’analogues en laboratoire, par exemple en utilisant des gaz quantiques ultrafroids comme des condensats de Bose-Einstein. Dans ce cas, le milieu se déplace physiquement.

L’idée des scientifiques écossais et de leur collègue de l’Université d’Erlangen (Allemagne) est qu’il n’est pas nécessaire de faire bouger physiquement un milieu pour obtenir un horizon : « ce qui importe vraiment sont seulement les propriétés effectives du milieu ». Selon l’équipe de physiciens, de telles idées ont déjà été discutées, par exemple pour des solitons [1]. en mouvement et des parois de domaine dans de l’Helium-3 superfluide, mais sont restées sans application pratique jusqu’à présent.

JPEG - 25.3 ko
Figure 2 : principe du rayonnement de Hawking
Source : http://universe-review.ca

Les scientifiques écossais sur l’exploitation des propriétés optiques non linéaires d’impulsions lumineuses ultracourtes dans des fibres optiques. Ils utilisent ainsi les possibilités de contrôle de la non linéarité, de la biréfringence et de la dispersion dans des fibres microstructurées. Les propriétés optiques des fibres choisies sont dominées par leur microstructure, constituée d’arrangements de trous longitudinaux dont les diamètres sont inférieurs à la longueur d’onde des faisceaux laser utilisés (il s’agit de cristaux photoniques). Chaque impulsion lumineuse ultracourte générée par un laser saphir-titane modifie les propriétés optiques de la fibre par effet Kerr : à l’indice de réfraction efficace de la fibre n0, s’ajoute une contribution δn proportionnelle à l’intensité de l’impulsion instantanée à la position z et au temps t :

n= n0+ δn où δn α I(z,t).

Cette contribution à l’indice de réfraction efficace se déplace avec l’impulsion qui établit donc un milieu en mouvement, sans que quoi que ce soit de matériel ne se déplace : ce milieu efficace se déplace à la vitesse de la lumière à l’intérieur de la fibre puisqu’il est lui-même composé de lumière. Les physiciens lancent ensuite une onde lumineuse continue, la sonde, à la poursuite de l’impulsion initiale, avec une fréquence différente et une vitesse de groupe légèrement plus élevée. La sonde tente de dépasser l’impulsion mais, lorsqu’elle s’en approche, elle est ralentie par l’effet Kerr jusqu’à ce que sa vitesse de groupe atteigne la vitesse de l’impulsion. La queue de l’impulsion établit alors un horizon de trou blanc, un objet dans lequel la lumière sonde ne peut pénétrer, à moins qu’elle ne traverse l’impulsion par effet tunnel. Inversement, le front de l’impulsion crée un horizon de trou noir pour la lumière sonde. Grâce à ce dispositif, les physiciens ont pu observer un effet optique classique, le décalage vers le bleu de la lumière à l’horizon d’un trou blanc (c’est-à-dire au niveau de la queue de l’impulsion).

L’équipe a également calculé que son système « trou noir-laser » est capable de sonder les effets quantiques des horizons, en particulier le rayonnement de Hawking, et qu’il sera susceptible de rayonner des photons s’il est chauffé à environ 1 000 °C. Ainsi, son dispositif permettra-t-il peut-être d’observer le rayonnement Hawking pour la première fois…


Sources :


Rédactrice : Dr Anne Prost

[1Un soliton est une onde solitaire qui se propage sans se déformer dans un milieu non-linéaire et dispersif

publié le 10/07/2008

haut de la page