Simulation quantique du rayonnement des trous noirs

L’une des propositions les plus frappantes de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein est la prédiction des trous noirs. En 1974, Stephen Hawking a suggéré que les trous noirs ne sont pas complètement noirs, mais qu'ils émettent un rayonnement thermique à une température qui dépend de leur masse.^,. Les observations astrophysiques d'un tel rayonnement de Hawking pourraient ne pas être possibles, mais la physique du phénomène devrait jouer dans les systèmes analogiques. , de Nova et al. signaler la détection du rayonnement de Hawking et la mesure de sa température dans un gaz atomique ultra-froid. Les résultats pourraient permettre de mieux comprendre les trous noirs analogiques et le rayonnement de Hawking en général.

La physique quantique nous dit que le vide de l’espace n’est pas vide, mais se remplit de particules qui apparaissent par paires puis se détruisent immédiatement. Hawking étudia ce qui arrivait à ces particules près de l’horizon des événements d’un trou noir – la limite au-delà de laquelle rien ne pouvait échapper à l’attraction gravitationnelle du trou noir. Il a découvert qu'il était possible d'empêcher les particules d'une paire de se détruire si elles étaient séparées par les forces de la marée de la gravité. Une particule serait absorbée par le trou noir et l'autre serait émise dans l'espace sous forme de rayonnement thermique (Fig. 1a). La particule absorbée, qui a une énergie négative, réduirait la masse du trou noir. La découverte de Hawking décrit donc comment un trou noir peut se réduire et disparaître grâce à un processus quantique.

D'un point de vue astrophysique, ce processus revêt une grande importance car il détermine le sort des trous noirs dans l'univers. Cependant, la température associée au rayonnement de Hawking, appelée température de Hawking, est inversement proportionnelle à la masse du trou noir. Et pour les plus petits trous noirs observés, qui ont une masse similaire à celle du Soleil, cette température est d'environ 60 nanokelvins. Le rayonnement de Hawking produit donc un signal minuscule et il semblerait que le phénomène ne puisse être vérifié par observation. Cependant, en 1981, le physicien William Unruh signala que la découverte de Hawking pouvait s’appliquer à un large éventail de systèmes physiques., qui a ouvert la voie aux efforts de détection du rayonnement de Hawking en laboratoire.

Une façon de modéliser l'horizon des événements d'un trou noir consiste à utiliser un fluide fluide composé d'atomes ultra-froids (Fig. 1b). Dans cette approche, une partie du fluide se déplace à une vitesse égale ou supérieure à la vitesse de propagation des ondes sonores dans le milieu. Une onde sonore produite à l'intérieur de cette région doit suivre le flux de fluide car elle ne peut pas se propager dans la direction opposée au fort courant. Le bord extérieur de cette zone forme donc un horizon d'événements analogiques de trous noirs. Plus important encore, l'évolution des ondes sonores dans un tel fluide peut être conçue pour imiter exactement la propagation de champs classiques ou quantiques à proximité d'un horizon d'événements de trou noir.^–. En conséquence, le fluide peut être utilisé comme simulateur quantique pour le rayonnement des trous noirs, lorsqu'il est exploité avec un niveau de contrôle élevé et à des températures suffisamment basses.

Les travaux de De Nova et de ses collègues s’appuient sur plusieurs enquêtes expérimentales dans lesquelles cette approche a été utilisée pour établir des horizons d’événements de trou noir analogues. étudier le rayonnement de Hawking. Les auteurs utilisent un état de la matière appelé condensat de Bose – Einstein composé de 8 000 atomes de rubidium-87. Ils utilisent un faisceau laser pour confiner le condensat et un autre pour générer une étape potentielle descendante – une région dans laquelle l'énergie potentielle chute brusquement. Ce pas traverse le condensat à une vitesse constante, ce qui équivaut à un condensat se déplaçant à une vitesse constante dans le repère dans lequel le pas est immobile. Le condensat qui s'écoule sur la marche est accéléré à des vitesses supersoniques, formant ainsi un horizon d'événements de trou noir analogue.

Les auteurs montrent que des paires d'ondes sonores sont produites à cet horizon d'événements. Une onde de la paire est émise hors de la région supersonique sous forme de rayonnement de Hawking et l'autre, qui a une énergie négative, est absorbée dans cette région (Fig. 1b). Hawking a prédit qu'un trou noir émettrait un rayonnement pouvant être décrit par une seule température de Hawking, dépendant uniquement de la masse du trou noir et non des détails du champ gravitationnel situé en dehors de l'horizon des événements. La principale nouveauté des travaux de De Nova et de ses collègues est un système de détection astucieux qu’ils utilisent pour extraire la température du rayonnement émis. Les conclusions des auteurs fournissent la première preuve de la température de Hawking à partir d’un simulateur quantique.

Le spectre d'énergie du rayonnement émis manque de traces de la nature microscopique du système, ainsi que des corrections macroscopiques de corps gris. Ces dernières concernent le reflet du rayonnement émis vers l'horizon des événements, du fait d'une variation effective de l'énergie potentielle en dehors de l'horizon. Une telle rétro-réflexion devrait se produire pour les trous noirs astrophysiques. Dans les simulateurs quantiques pour le rayonnement des trous noirs, ces effets microscopiques et macroscopiques peuvent être ajustés., et leur absence démontre le haut niveau de contrôle que de Nova et al. exercer sur leur appareil expérimental. La configuration des auteurs est prometteuse et pourrait servir à étudier de nombreux autres phénomènes intéressants – par exemple, les corrélations quantiques que devraient présenter les paires d’ondes sonores produites à l’horizon des événements.