Astronomie

Rayonnement de Hawking

Rayonnement de Hawking

Au bord du trou noir, de la matière et de l'antimatière sont créées, tandis que la matière s'échappe, l'antimatière s'annihile à l'intérieur du trou noir diminuant ainsi sa masse. Mais en raison de l'immense attraction gravitationnelle, pourquoi la matière nouvellement générée est-elle également attirée dans le trou noir, puisqu'elle aura très moins de vitesse pour s'échapper ?


D'une part, le mécanisme derrière Hawking Radiation est encore inconnu. Hawking, dans sa formulation originale, n'a jamais proposé un moyen par lequel ce rayonnement a été produit. Le concept de production de paires particule-antiparticule près de l'horizon des événements est venu après coup et rien ne garantit que c'est la manière dont le rayonnement de Hawking est réellement produit. Il existe d'autres explications possibles.

Pour répondre à votre question plus spécifique, je voudrais souligner que votre logique est un peu défectueuse. En supposant que le rayonnement de Hawking peut réellement se produire, nous savons nécessairement que l'énergie s'éloigne des trous noirs, ce qui signifie que l'énergie/la matière doit nécessairement être capable d'atteindre la vitesse de fuite $-$ sinon elle ne s'échapperait pas ! Donc, proposer que la matière ait moins que la vitesse d'échappement n'est pas un départ car c'est une prémisse fallacieuse.

Cela étant dit, la réponse la plus directe à votre question serait d'expliquer comment et pourquoi ce rayonnement de Hawking peut atteindre une vitesse de fuite. Gardez d'abord à l'esprit que le rayonnement qui s'échappe provient de dehors l'horizon des événements dans lequel vous pouvez vous échapper avec une vitesse inférieure ou égale à $c$. Ce qui s'échappe principalement sous forme de rayonnement de Hawking, ce sont des photons qui, bien sûr, voyagent à $c$ et, étant en dehors de l'horizon des événements, sont parfaitement capables de s'échapper du trou noir.


C'est pourquoi nous ne détecterons jamais le rayonnement Hawking d'un véritable trou noir

La désintégration simulée d'un trou noir entraîne non seulement l'émission de rayonnement, mais la désintégration de . [+] la masse en orbite centrale qui maintient la plupart des objets stables. Les trous noirs ne sont pas des objets statiques, mais changent plutôt avec le temps.

la science de la communication de l'UE

Partout dans notre galaxie, des millions de trous noirs de masses diverses orbitent, soumis aux mêmes règles de gravitation que toutes les autres masses de l'Univers. Seulement, au lieu d'émettre de la lumière en fonction de leur surface et de leur température, ils sont complètement noirs. Tout ce qui existe dans la singularité qui se cache derrière l'horizon des événements de chaque trou noir, nous ne pouvons pas le voir. De l'intérieur d'un trou noir, rien, pas même la lumière, ne peut s'échapper.

La seule lumière que nous ayons jamais observée à partir d'un trou noir ne vient pas de l'intérieur du trou noir lui-même, mais plutôt de la matière accélérée qui interagit quelque part en dehors de l'horizon des événements. Cependant, il existe un type de lumière très particulier que les trous noirs devraient émettre : le rayonnement de Hawking, sans doute la plus grande percée de la carrière scientifique de Stephen Hawking. Malheureusement, il est presque certain que nous ne le détecterons jamais. Voici la science du pourquoi.

Il faut une vitesse de 7,9 km/s pour atteindre "C" (orbite stable), alors qu'il faut une vitesse de 11,2 km/s pour . [+] "E" pour échapper à la gravité terrestre. Les vitesses inférieures à "C" retomberont sur la Terre, les vitesses comprises entre "C" et "E" resteront liées à la Terre sur une orbite stable. Cette même logique, même avec la mécanique newtonienne seule, peut être appliquée à un objet de n'importe quelle masse, densité ou taille pour déterminer sa vitesse d'échappement.

Brian Brondel sous licence c.c.a.-s.a.-3.0

Les trous noirs, contrairement à ce que l'on pourrait imaginer, sont une idée vieille de plusieurs centaines d'années. Au XVIIIe siècle, lorsque la physique newtonienne était le seul jeu en ville, le scientifique John Michell a eu une brillante réalisation concernant le Soleil. Si vous supposiez que le Soleil était une sphère de faible densité mais imaginiez qu'il y en avait plus - produisant un objet plus massif et prenant un plus grand volume - alors une fois que vous franchissez un seuil critique, la lumière ne pourra plus s'échapper de il.

À sa taille et à sa masse actuelles, il faudrait atteindre une vitesse de 618 km/s pour échapper au Soleil depuis son bord. La lumière, qui se déplace à 300 000 km/s, peut facilement le faire. Mais si vous déversiez suffisamment de masse dans cet objet, sa vitesse d'échappement augmenterait et augmenterait. Une fois qu'il a dépassé 300 000 km/s, la lumière émise par sa surface se courberait de nouveau sur l'objet lui-même. Vous créeriez ce que nous appelons maintenant un trou noir.

La masse d'un trou noir est le seul facteur déterminant du rayon de l'horizon des événements, pour a . [+] trou noir isolé non tournant. Pendant longtemps, on a pensé que les trous noirs étaient des objets statiques dans l'espace-temps de l'Univers, et la Relativité Générale leur a attribué une entropie de 0. Ce n'est bien sûr plus le cas une fois que l'on compte la physique quantique.

Cette idée a pris un nouveau souffle au 20e siècle, après qu'Einstein a présenté sa théorie générale de la relativité, qui a remplacé la théorie de la gravité de Newton. La gravité n'a pas été causée par une force invisible attirant toutes les masses de l'Univers les unes aux autres en fonction de la distance qui les sépare. Au lieu de cela, l'Univers était un tissu où l'espace et le temps étaient leur propre entité inséparable - l'espace-temps - et la présence de matière et d'énergie courbait cet espace-temps.

Alors que pour Newton, les objets se déplaçaient toujours en ligne droite à moins qu'une force extérieure ne les fasse accélérer, Einstein a dicté que tous les objets suivaient le chemin incurvé qui leur était tracé par la forme que prend l'espace-temps. La matière et l'énergie ont fait courber l'espace-temps, et cet espace-temps courbe a indiqué à la matière comment se déplacer. En 1915, Einstein a présenté pour la première fois la version finale de la relativité générale. En janvier 1916, la première solution exacte avait été trouvée.

À la fois à l'intérieur et à l'extérieur de l'horizon des événements d'un trou noir de Schwarzschild, l'espace s'écoule comme un . [+] tapis roulant ou cascade, selon la manière dont vous souhaitez le visualiser. À l'horizon des événements, même si vous couriez (ou nageiez) à la vitesse de la lumière, il n'y aurait aucun moyen de surmonter le flux de l'espace-temps, qui vous entraîne dans la singularité au centre. En dehors de l'horizon des événements, cependant, d'autres forces (comme l'électromagnétisme) peuvent fréquemment surmonter l'attraction de la gravité, provoquant même l'échappement de la matière en chute libre.

Andrew Hamilton / JILA / Université du Colorado

Cette solution a été trouvée par Karl Schwarzschild et correspond à ce que nous appelons maintenant un trou noir non rotatif. Initialement, Schwarzschild considérait un système très simple : un Univers, gouverné par la Relativité Générale, avec un "point" massif et rien d'autre. Et pourtant, il y a une quantité énorme de physique profonde encodée dans ce système, ce que nous appelons maintenant la solution de Schwarzschild dans le contexte de ce domaine.

Oui, loin de cette masse ponctuelle, la gravitation agit de manière très similaire aux prédictions de Newton : la gravité se comporte presque de manière identique à la loi de force de Newton pour la gravitation universelle.

Mais près de la masse - où les champs gravitationnels deviennent forts - l'espace est courbé plus sévèrement, et il y a une attraction "supplémentaire" au-delà de ce que Newton prédit.

Et si vous vous approchez trop près, vous rencontrerez l'horizon des événements : une région d'où rien, pas même la lumière, ne peut s'échapper.

Si les horizons des événements sont réels, alors une étoile tombant dans un trou noir central serait simplement dévorée, . [+] ne laissant aucune trace de la rencontre derrière. Ce processus, de trous noirs croissants parce que la matière entre en collision avec leurs horizons d'événements, ne peut être empêché.

Au cours des décennies suivantes, des solutions supplémentaires ont été trouvées qui ont étendu le travail original de Schwarzschild. Vous pourriez avoir non seulement une masse mais une charge électrique à votre masse ponctuelle, conduisant à un trou noir de Reissner-Nordström (plutôt qu'à un Schwarzschild). Vous pouvez ajouter un moment angulaire (c'est-à-dire une rotation), conduisant à un trou noir de Kerr (réaliste). Et vous pourriez avoir les trois : masse, charge et moment angulaire, menant à un trou noir Kerr-Newman.

Chacun a toujours un horizon des événements, où à l'extérieur de l'horizon, la lumière peut s'échapper, tandis qu'à l'intérieur, tout ce qui se déplace à la vitesse de la lumière ou plus lentement ne peut s'échapper. Juste en dehors de l'horizon des événements de chacun, l'espace-temps est courbé de manière beaucoup plus significative que Newton ne l'aurait prédit. Ce n'est que dans les années 1960 et 1970, cependant, que les gens ont commencé à réaliser quelque chose de très profond sur les implications quantiques pour les régions proches de ces horizons d'événements.

Visualisation d'un calcul de théorie quantique des champs montrant des particules virtuelles dans le vide quantique. . [+] (Plus précisément, pour les interactions fortes.) Même dans l'espace vide, cette énergie du vide est non nulle, et ce qui semble être « l'état fondamental » dans une région de l'espace courbe sera différent du point de vue d'un observateur où la courbure spatiale diffère. Tant que des champs quantiques sont présents, cette énergie du vide (ou une constante cosmologique) doit également être présente.

Vous voyez, dans la théorie quantique des champs, l'espace vide n'est pas si vide. Ce que nous considérons comme un espace vide - un espace sans masses, particules ou quanta d'énergie à l'intérieur - n'est vide que dans un sens. Oui, il n'y a peut-être pas de quanta individuels de masse ou d'énergie, mais les champs quantiques qui régissent l'Univers sont toujours là. Ils sont juste dans leur état fondamental : l'état d'énergie le plus bas possible.

Ce que nous considérons comme des particules correspond à des excitations des divers champs quantiques, et c'est donc seulement dans l'état non excité que vous ne pouvez avoir aucune particule. Mais même dans ce scénario, les champs eux-mêmes sont toujours là. Ils ont toujours une énergie sous-jacente qui n'est pas nécessairement nulle, et ils obéissent toujours au principe d'incertitude de Heisenberg, qui nous dit que pour tout intervalle de temps fini que nous regardons, il y a une limite à la certitude avec laquelle nous pouvons connaître l'énergie de un système.

Une illustration de l'énergie du vide de l'Univers constituée de mousse quantique, où quantum . [+] les fluctuations sont grandes, variées et importantes à la plus petite des échelles.

Cela nous amène peut-être à la façon la plus précise de penser à l'énergie du point zéro de l'espace vide lui-même. L'espace est rempli de champs quantiques, et même en l'absence de toute matière et énergie, ces champs ont des fluctuations inhérentes de leurs valeurs à un moment donné. C'est comme un océan mousseux et ondulé : plat de loin, agité et instable de près. Cependant, tant que vous flotterez dedans, votre tête restera hors de l'eau.

Maintenant, réfléchissez à ce que cela signifie pour l'espace plat, loin de toute masse ou source de courbure de l'espace-temps, par rapport à l'espace courbe très proche de l'horizon des événements d'un trou noir. Oui, où que vous soyez, vous flotterez très bien, vous verrez un océan similaire où que vous soyez. Mais quelqu'un dans l'océan à espace courbe n'est pas d'accord avec quelqu'un dans l'océan à espace plat sur la façon de garder la tête hors de l'eau. Pour passer d'un endroit à un autre, vous devez changer votre « profondeur » proverbiale dans l'océan cosmique du vide quantique.

Une illustration d'un espace-temps fortement courbé pour une masse ponctuelle, qui correspond à la physique . [+] scénario d'être situé en dehors de l'horizon des événements d'un trou noir. Au fur et à mesure que vous vous rapprochez de l'emplacement de la masse dans l'espace-temps, l'espace devient plus incurvé, menant finalement à un emplacement à partir duquel même la lumière ne peut s'échapper : l'horizon des événements. Le rayon de cet emplacement est défini par la masse, la charge et le moment angulaire du trou noir, la vitesse de la lumière et les seules lois de la relativité générale.

Utilisateur de Pixabay JohnsonMartin

C'est de là que vient le rayonnement de Hawking. Les observateurs dans les régions de l'espace avec différentes quantités de courbure spatiale sont en désaccord les uns avec les autres quant à ce qu'est l'énergie du point zéro du vide quantique. La différence dans les valeurs des champs quantiques en divers points de l'espace fortement incurvé est ce qui conduit à la production de rayonnement, expliquant également pourquoi le rayonnement est produit sur un grand volume entourant le trou noir, pas seulement à l'horizon des événements.

La question suivante – où Hawking a réalisé son travail le plus spectaculaire en 1974 – est de répondre à ces questions : quels sont la température, le flux et le spectre d'énergie de ce rayonnement de Hawking ? La réponse, assez merveilleusement, est simple : le spectre est toujours un corps noir, tandis que la température et le flux sont à peu près uniquement déterminés par la masse. Mais, peut-être ironiquement, plus la masse du trou noir est grande, plus la température et le flux sont faibles.

Illustration d'artiste de la fusion de deux étoiles à neutrons. Les fusions d'étoiles à neutrons binaires devraient produire le . [+] trous noirs de plus faible masse dans l'Univers : jusqu'à environ 2,5 masses solaires. Ces trous noirs de plus faible masse émettront les plus grandes quantités de rayonnement de Hawking.

NSF / LIGO / Université d'État de Sonoma / A. Simonnet

En d'autres termes, les trous noirs plus lourds émettent un rayonnement Hawking à plus basse température et à plus faible énergie, et moins aussi. La température est inversement proportionnelle à la masse, tandis que le flux est inversement proportionnel à la masse au carré. Mettez-les ensemble, et cela signifie que les trous noirs plus massifs vivent plus longtemps d'un facteur de leur masse au cube. Si nous voulons savoir où aller pour trouver les sources les plus brillantes de rayonnement de Hawking, nous devons trouver les trous noirs de masse la plus faible de tous.

Malheureusement, la masse minimale d'un trou noir que notre Univers est capable de créer est d'environ 2,5 masses solaires : plus lourde que même notre propre Soleil. Il aurait une température d'environ 25 nanokelvins, un signal pratiquement impossible à démêler contre le bruit fourni par le fond diffus cosmologique, quelque 100 millions de fois plus chaud. À moins que des trous noirs de masse beaucoup plus faible n'existent et que les données défavorisent fortement l'existence de ces trous noirs primordiaux, le rayonnement de Hawking devrait rester indétectable.

Contraintes sur la matière noire des trous noirs primordiaux. Il y a un ensemble écrasant de disparates. [+] éléments de preuve qui indiquent qu'il n'y a pas une grande population de trous noirs créés au début de l'Univers qui composent notre matière noire. Le trou noir de masse la plus faible que notre Univers aurait dû provenir d'étoiles : environ 2,5 masses solaires et pas moins.

Fig. 1 de Fabio Capela, Maxim Pshirkov et Peter Tinyakov (2013), via http://arxiv.org/pdf/1301.4984v3.pdf

Le plus gros problème avec le rayonnement de Hawking émis par les trous noirs de notre Univers est la puissance : le trou noir le plus au flux n'émet que 10 à 29 W de puissance, une quantité incroyablement petite. Vous devrez capturer toute l'énergie émise par le rayonnement de Hawking du trou noir le plus énergétique pendant quatre mois pour égaler l'énergie transportée par un photon typique laissé, aujourd'hui, par le Big Bang. En termes de rapport signal sur bruit, ce n'est tout simplement pas réalisable.

La seule façon concevable de détecter le rayonnement de Hawking serait de construire une énorme sphère surfondue autour du trou noir : bloquant tout le rayonnement extérieur et émettant moins de puissance de sa surface (et, par conséquent, un rayonnement à plus basse température) que le trou noir. émet lui-même. C'est une idée folle qui va au-delà de toute technologie imaginable aujourd'hui, bien que pas nécessairement impossible. Si jamais nous espérons détecter directement le rayonnement de Hawking à partir d'un véritable trou noir dans notre Univers, ce sont les obstacles que nous devrons surmonter.


Rayonnement de Hawking analogique repéré en laboratoire

C'était l'une des meilleures idées de Stephen Hawking : la prédiction de 1974 selon laquelle les trous noirs ne sont pas totalement noirs, mais émettent un flux constant de rayonnement. La confirmation expérimentale du rayonnement de Hawking apporterait probablement au cosmologue britannique de 68 ans un prix Nobel de physique. Malheureusement, personne n'a été capable de détecter un signal de trou noir car il serait si faible par rapport au rayonnement de fond de l'univers.

Cependant, les chances de Hawking d'obtenir un Nobel pourraient augmenter, grâce à un article qui sera bientôt publié dans la revue Physical Review Letters. Dans ce travail, des physiciens italiens décrivent ce que beaucoup pensent être la première mesure du rayonnement de Hawking d'un trou noir "analogique" en laboratoire.

La recherche a déclenché un débat sur ce qui constitue vraiment le rayonnement de Hawking et si des preuves en laboratoire pourraient aider à faire de Hawking un candidat sérieux pour un prix Nobel.

« Nous n'avons aucune preuve d'observation des trous noirs astrophysiques concernant l'existence de l'effet Hawking, et il est extrêmement peu probable que nous ayons jamais de telles preuves, donc tout moyen de vérifier la prédiction de Hawking est d'une importance capitale pour le communauté scientifique », déclare Matt Visser, expert en analogues gravitationnels à l'Université Victoria de Wellington, en Nouvelle-Zélande, qui n'a pas participé à la recherche.

Origines de la mécanique quantique

La théorie de Hawking découle du principe d'incertitude de la mécanique quantique, qui nous dit que des paires de particules apparaissent continuellement, même dans le vide. La plupart du temps, ces particules s'annihilent presque aussitôt qu'elles naissent, mais cela ne serait pas vrai au bord d'un trou noir, connu sous le nom d'horizon des événements, où la gravité devient si forte que même la lumière ne peut s'échapper. Si une paire de particules naissait à cheval sur ce point, une particule devrait être aspirée tandis que l'autre s'échapperait – et cette dernière deviendrait le rayonnement de Hawking.

Étant donné que le rayonnement de Hawking est actuellement impossible à observer pour de vrais trous noirs, les physiciens se sont récemment penchés sur des analogues de trous noirs en laboratoire qui peuvent imiter le comportement de leurs homologues astrophysiques. Un type d'analogue utilise des lasers pour simuler un horizon des événements, car une lumière intense peut modifier un indice de réfraction moyen, qui régit la vitesse de propagation de la lumière. En termes simples, faire briller un laser puissant à travers le verre crée un pic d'indice de réfraction : tous les autres photons devant ce pic peuvent voyager vers l'avant, tandis que ceux derrière et essayant d'avancer sont ralentis jusqu'à l'arrêt - ils sont piégés, comme dans un vrai noir trou.

C'est le type de système employé dans les derniers travaux de Daniele Faccio et de ses collègues de l'Université d'Insubria et d'autres institutions italiennes. Ils ont placé un détecteur de photons et un spectromètre perpendiculairement à la direction du faisceau laser traversant le verre pour capturer tous les photons nés spontanément à l'horizon des événements simulé. Au milieu du bruit provenant de défauts fluorescents dans le verre, le groupe Faccio a pu capter un signal de photons avec des longueurs d'onde comprises entre 850 et 900 nm. Comme il n'y a pas d'émission de fluorescence connue dans cette fenêtre, affirment les chercheurs, ces photons doivent être du rayonnement de Hawking.

Certains sont d'accord, mais pas tous

Certains chercheurs indépendants sont déjà d'accord, notamment Ulf Leonhardt, physicien à l'Université de St Andrews, au Royaume-Uni, qui a lancé la base de l'expérience il y a deux ans. Mais d'autres n'en sont pas si sûrs.

Un problème est que le groupe de Faccio ne peut pas montrer que l'émission est un spectre continu de "corps noir" comme le serait un trou noir astrophysique - même s'ils disposaient d'un appareil pour effectuer une mesure aussi approfondie, leur système est si dispersif que le spectre du corps noir serait probablement ruiné. Un autre problème possible est que le rayonnement de Hawking ne doit être émis que dans la direction du laser et non perpendiculairement, bien que cela puisse être dû au fait que le fort profil d'indice de réfraction dévie la lumière vers l'extérieur. La question est de savoir si des lacunes comme celles-ci rendent l'allégation de « radiations de Hawking » intenable ?

« C'est en partie une question sémantique », explique Renaud Parentani, spécialiste des rayonnements Hawking à l'Université Paris-Sud 11, France. Parentani pense que personne n'a encore défini ce qui devrait constituer le rayonnement de Hawking proprement dit, et que les chercheurs devraient se concentrer sur l'identification des aspects du phénomène qu'une expérience a réussi à démontrer. "Nous devons en quelque sorte dresser une liste des propriétés spécifiques qui caractérisent le rayonnement standard de Hawking", ajoute-t-il.

L'enchevêtrement pourrait être le facteur décisif

Une façon de convaincre les sceptiques pourrait être de mesurer simultanément les photons générés des deux côtés du pic d'indice de réfraction. S'ils sont intriqués au sens de la mécanique quantique, ce serait une preuve solide qu'ils sont nés ensemble à l'horizon. Leonhardt a déclaré à physicsworld.com qu'il s'attend à obtenir les résultats d'une telle expérience dans un an ou moins.

Quant aux chances de Hawking d'obtenir un prix Nobel, les physiciens semblent presque unanimes à penser qu'il est trop tôt pour le dire. Mais avec la quasi-impossibilité de faire une mesure astrophysique du rayonnement de Hawking et la clause officielle interdisant les nominations à titre posthume, il y a une chance – bien que lointaine – que le comité suédois juge que la preuve en laboratoire de la théorie de Hawkins est suffisante pour une décoration. Déjà, un groupe basé au Canada a trouvé des preuves de ce qu'il prétend être le rayonnement de Hawking dans un système classique à base d'eau (voir arXiv: 1008.1911), et de nombreuses autres expériences devraient étayer les preuves de laboratoire au cours des prochains mois.


Rayonnement de Hawking

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Lorsque les humains meurent de faim, ils maigrissent et finissent par mourir lorsqu'un trou noir meurt de faim, lui aussi maigrit et meurt… mais il le fait de manière très spectaculaire, dans une rafale de rayonnement de Hawking.

Du moins, c'est ainsi que nous le comprenons aujourd'hui (aucun trou noir n'a encore été observé), et la théorie peut aussi être fausse.

Le cosmologiste, astrophysicien et physicien Stephen Hawking a montré, en 1974, que les trous noirs devraient émettre un rayonnement électromagnétique avec un spectre de corps noir. Ce processus est également appelé évaporation des trous noirs. Bref, ce processus théorique fonctionne ainsi : des paires particule-antiparticule sont constamment produites et disparaissent rapidement (par annihilation) ces paires sont des paires virtuelles, et leur existence (si l'on peut dire que quelque chose de virtuel existe !) est une certaine conséquence de le principe d'incertitude. Normalement, nous ne voyons jamais ni la particule ni l'antiparticule de ces paires, et ne connaissons leur existence qu'à travers des effets comme l'effet Casimir. Cependant, si une telle paire virtuelle apparaît près de l'horizon des événements d'un trou noir, l'une peut la traverser tandis que l'autre s'échappe et le trou noir perd ainsi de la masse. Loin de l'horizon des événements, cela ressemble au rayonnement d'un corps noir.

Il s'avère que plus la masse d'un trou noir est petite, plus il perdra de la masse rapidement en raison du rayonnement de Hawking juste à la fin, le trou noir disparaît dans une rafale intense de rayonnement gamma (car la température du trou noir augmente à mesure qu'il devient plus petit). Nous ne verrons aucun des trous noirs de la Voie lactée exploser de si tôt… non seulement ils gagnent probablement encore de la masse (du moins à cause du fond diffus cosmologique), mais un trou noir d'un sol en prendrait 10^ 67 ans pour s'évaporer (l'univers n'a que 13 milliards d'années) !

Il existe de nombreuses énigmes concernant les trous noirs et le rayonnement de Hawking, par exemple, l'évaporation des trous noirs via le rayonnement de Hawking semble signifier que l'information est perdue à jamais. La cause première de ces énigmes est que la mécanique quantique et la relativité générale - les deux théories les plus réussies en physique, point final - sont incompatibles, et nous n'avons aucune expérience ou observation pour nous aider à trouver comment résoudre cette incompatibilité.


Rayonnement de Hawking - Astronomie

Dernière visite de Stephen Hawking aux États-Unis (avril 2016)

Vidéo du discours d'avant-dîner de Stephen Hawking (chez Avi Loeb, Lexington, MA 22/04/16)

ici pour savoir exactement ce qui est montré dans l'image). Nous savons que les trous noirs existent depuis 2016, date à laquelle les ondes gravitationnelles causées par eux ont été détectées pour la première fois. Image : Observatoire européen austral., CC BY 4.0.

La personne qui a apporté la plus grande contribution à la théorie des trous noirs était Stephen Hawking. En utilisant uniquement des mathématiques plutôt que des observations, Hawking et ses collègues ont montré que les trous noirs sont des objets étonnamment simples : ils peuvent être décrits uniquement par leur masse, leur spin et leur charge électrique. Peu importe ce que vous jetez dans un trou noir, ou comment il a été créé - cela aurait pu être fait par une étoile mourante, ou la collision de deux trous noirs, et cela aurait pu avaler des personnes ou le contenu des bibliothèques du monde. — de l'extérieur, tout ce que vous pouvez voir, c'est la masse, la rotation et la charge du trou noir. Selon les mots du physicien John Wheeler, "les trous noirs n'ont pas de cheveux".

Avec le pas de théorème des cheveux, comme on l'a connu, Hawking et ses collègues ont apprivoisé la théorie des trous noirs. Mais un peu plus tard, en 1974, Hawking a prouvé un autre résultat sur les trous noirs, qui a ouvert une toute nouvelle boîte de vers : il a montré que les trous noirs ne sont pas tous noirs après tout. Au lieu de cela, tout comme une tasse de thé chaud laissée au repos pour se refroidir, ils émettent un rayonnement thermique dans leur environnement.

Comme les résultats précédents de Hawking sur les trous noirs, sa théorie de ce qu'on a appelé Rayonnement Hawking n'est pas le résultat d'observations, mais de mathématiques. Tout en réfléchissant à un casse-tête particulier qui intriguait les physiciens de l'époque, Hawking a envisagé un univers hypothétique composé d'un seul trou noir. La théorie de la relativité générale d'Einstein permet d'étudier de tels mondes imaginaires, mais Hawking a également introduit la théorie de la physique qui décrit le monde à très petite échelle : la mécanique quantique. En appliquant la mécanique quantique à la matière en dehors du trou noir, Hawking a découvert qu'un certain rayonnement thermique devrait être émis par le trou noir, et que cela devrait être vrai pour les trous noirs en général.

Certes, la température de ce rayonnement, maintenant appelée température de Hawking, est loin d'être celle d'une tasse de thé chaud : au contraire, elle est incroyablement basse, seulement une infime fraction au-dessus du zéro absolu. Nous aurions du mal à l'observer. Mais le fait qu'il devrait y avoir des radiations a stupéfié la communauté des physiciens.

Le résultat de Hawking a immédiatement posé un paradoxe qui n'a toujours pas été résolu – en fait, Hawking y travaillait encore au cours des derniers mois de sa vie. ça s'appelle le paradoxe de l'information. En savoir plus ici.


Dr Stephen Hawking

Stephen Hawking est né à Oxford, en Angleterre, le 8 janvier 1942. À l'âge de 17 ans, il s'est inscrit à l'University College d'Oxford. Il voulait étudier les mathématiques, mais a eu recours à l'étude de la physique. Il a poursuivi un doctorat. en physique malgré le diagnostic de sclérose latérale améliotrophique à Oxford. Cette maladie est progressive et affecte lentement les nerfs qui alimentent tous les muscles du corps. En 1985, il est tombé malade d'une pneumonie et depuis, il a besoin de soins infirmiers 24 heures sur 24. Grâce à l'incroyable détermination du Dr Hawking et avec l'aide de sa famille et de ses associés, il a vécu jusqu'à l'âge de 76 ans. Jusqu'à la fin de sa vie, le 14 mars 2018, il a occupé la chaire d'Isaac Newton en tant que professeur lucasien de mathématiques à l'Université de Cambridge en Angleterre.

En 1970, le Dr Hawking a commencé à travailler sur les caractéristiques des trous noirs. À la suite de ses recherches, il a été prédit que les trous noirs émettent un rayonnement dans la gamme des rayons X aux rayons gamma du spectre. Dans les années 1980, il est revenu à un intérêt antérieur pour les origines de l'univers et comment la mécanique quantique peut affecter son destin. Il est co-auteur de nombreuses publications telles que "300 Years of Gravity" et "The Large Scale Structure of Space-time". Le Dr Hawking a également écrit des livres tels que Une brève histoire du temps et Trous noirs et univers de bébé et autres essais.

Une question

Le Dr Hawking a prédit que les trous noirs émettent un rayonnement qui tombe dans la plage de la lumière visible sur le spectre électromagnétique.


Stephen Hawking : Les trous noirs ne détruisent pas les informations, stockez-les dans un hologramme 2D

Mardi, le célèbre physicien théoricien, le professeur Stephen Hawking, a présenté ses dernières idées sur les trous noirs – et le passage possible de l'information dans des univers alternatifs – lors de la Hawking Radiation Conference à Stockholm, en Suède.

Vue d'artiste d'un trou noir et d'une étoile normale. Crédit image : L. Calcada / ESO.

L'une des questions les plus déconcertantes auxquelles une génération de physiciens est confrontée est qu'arrive-t-il aux informations sur l'état physique des choses qui sont englouties par les trous noirs ?

Est-elle détruite, comme notre compréhension de la relativité générale le prédirait ? Si tel était le cas, cela violerait les lois de la mécanique quantique.

Selon une nouvelle idée proposée hier par le professeur Hawking du KTH Royal Institute of Technology, les trous noirs n'avalent et ne détruisent pas réellement les informations physiques. Au lieu de cela, ils le stockent dans un hologramme 2D. La présentation a été faite lors de la Hawking Radiation Conference, qui a été co-organisée par l'institut Nordita et l'Université de Caroline du Nord.

Tout dans notre monde est codé avec des informations de mécanique quantique. Et selon les lois de la mécanique quantique, cette information ne devrait jamais disparaître entièrement, quoi qu'il lui arrive. Pas même s'il est aspiré dans un trou noir.

Mais l'idée du professeur Hawking est que l'information ne parvient pas du tout à l'intérieur du trou noir. Au lieu de cela, il est codé en permanence dans un hologramme bidimensionnel à la surface de l'horizon des événements du trou noir.

Tels que nous les comprenons, les trous noirs sont des régions de l'espace-temps où les étoiles, ayant épuisé leur carburant, s'effondrent sous leur propre gravité, créant un gouffre sans fond qui avale tout ce qui s'approche de trop près. Même la lumière ne peut leur échapper, tant leur attraction gravitationnelle est infiniment puissante.

"Les informations ne sont pas stockées à l'intérieur du trou noir comme on pourrait s'y attendre, mais dans sa limite - l'horizon des événements", a déclaré le professeur Hawking.

Il a formulé l'idée que l'information est stockée sous la forme de ce qu'on appelle des super traductions.

"L'idée est que les super traductions sont un hologramme des particules entrantes", a-t-il expliqué.

"Ainsi, ils contiennent toutes les informations qui seraient autrement perdues."

« Cette information est émise dans les fluctuations quantiques que les trous noirs produisent, bien que sous une forme chaotique et inutile. À toutes fins utiles, les informations sont perdues », a-t-il déclaré.

Le professeur Hawking a également proposé des réflexions convaincantes sur l'endroit où les choses qui tombent dans un trou noir pourraient éventuellement se retrouver.

"L'existence d'histoires alternatives avec des trous noirs suggère que cela pourrait être possible", a déclaré le professeur Hawking.

« Le trou devrait être grand et s'il tournait, il pourrait avoir un passage vers un autre univers. Mais vous ne pouviez pas revenir dans notre Univers.


“Réaction du flux de rayonnement de Hawking sur une étoile en effondrement gravitationnel”

Une étoile s'effondrant gravitationnellement dans un trou noir émet un flux de rayonnement, connu sous le nom de rayonnement de Hawking. Lorsque l'état initial d'un champ quantique sur le fond de l'étoile est placé dans le vide d'Unruh dans un passé lointain, alors le rayonnement de Hawking correspond à un flux de rayonnement d'énergie positive voyageant vers l'extérieur vers l'infini futur. L'évaporation de l'étoile qui s'effondre peut être décrite de manière équivalente comme un flux d'énergie négative de rayonnement se déplaçant radialement vers l'intérieur vers le centre de l'étoile. Ici, nous nous intéressons à l'évolution de l'étoile lors de son effondrement. Ainsi, nous incluons la réaction inverse du flux d'énergie négative de Hawking dans la géométrie intérieure de l'étoile qui s'effondre et résolvons numériquement les équations d'Einstein et hydrodynamiques en 4 dimensions.
Nous constatons que le rayonnement de Hawking émis juste avant que l'étoile ne traverse son rayon de Schwarzschild ralentit l'effondrement de l'étoile et réduit considérablement sa masse ainsi l'étoile rebondit avant d'atteindre l'horizon. Le rayon de la zone commence à augmenter après le rebond.


Hawking Radiation - Astronomy

Physics of the early Universe is at the boundary of astronomy and philosophy since we do not currently have a complete theory that unifies all the fundamental forces of Nature at the moment of Creation. In addition, there is no possibility of linking observation or experimentation of early Universe physics to our theories (i.e. it's not possible to `build' another Universe). Our theories are rejected or accepted based on simplicity and aesthetic grounds, plus their power of prediction to later times, rather than an appeal to empirical results. This is a very difference way of doing science from previous centuries of research.

Our physics can explain most of the evolution of the Universe after the Planck time (approximately 10 -43 seconds after the Big Bang).

Another way of seeing this problem is trying to reproduce the Greek philosophers thinking about matter, as applied to spacetime. For example, if we continue to divide matter we get to atoms, try to divide atoms and you get quantum fields. What does spacetime look like at the quantum level? Probably a quantum chaos.

Events before before the Planck time are undefined in our current science and, in particular, we have no solid understanding of the origin of the Universe (i.e. what started or `caused' the Big Bang). At best, we can describe our efforts to date as probing around the `edges' of our understanding in order to define what we don't understand, much like a blind person would explore the edge of a deep hole, learning its diameter without knowing its depth.

One thing is clear in our framing of questions such as `How did the Universe get started?' is that the Universe was self-creating. This is the key separation point between theism, the philosophy that there is a God, and naturalism, the philosophy that only natural laws and forces operate in the world and that nothing exists beyond the natural world. For theism interprets the Universe having a beginning, a point where it starts to exist, as there must exist a transcendent cause, i.e. God. Naturalism requires that there be no cause, the Universe either exists eternally, or the origin of the Universe takes on a "no boundary" solution (for example, space *and* time start at the Big Bang, there is no *before*).

Extrapolation from the present to the moment of Creation implies an origin of infinite density and infinite temperature (all the Universe's mass and energy pushed to a point of zero volume). Such a point is called the cosmic singularity.

Infinites are unacceptable as physical descriptions, but our hypothetical observers back at the beginning of time are protected by the principle of cosmic censorship. What this means is that singularities exists only mathematically and not as a physical reality that we can observe or measure. Nature's solution to this problem are things like the event horizon around black holes. Barriers built by relativity to prevent observation of a singularity.

While observations beyond the event horizon are impossible, testable science does not stop for we can build models of the behavior inside the event horizon then look for observable predictions from those models. For cosmology, one such model for the cosmic singularity is the Hartle-Hawking no-boundary cosmology. In this model, there is no "before" the Big Bang because the Universe existed in what is called Euclidian or imaginary time. Euclidian time is a concept derived from quantum mechanics and is essential in connecting quantum mechanics with statistical mechanics. Euclidian time can be difficult to visualize. One method is to remember our relativity where space and time are combined into spacetime. And we measure spacetime by using rulers and clocks together. Near masses rulers become shorter and clocks slow down (relative to rulers and clocks in flat spacetime). Euclidian time occurs when we go back to the first moments of the early Universe. Densities and energies are enourmous, and as we look at our ruler and clock we notice a strange thing, the clock begins to act like a ruler.

Euclidian time is a way of looking at the time dimension as if it were a dimension of space: you can move forward and backward along imaginary time, just like you can move right and left in space. Thus, the no-boundary model states that the Universe is infinitely finite: that there was no time before the Big Bang because time did not exist before the formation of spacetime associated with the Big Bang and subsequent expansion of the Universe in space and time.

Hartle-Hawking model says that if we could travel backward in time toward the beginning of the Universe, we would note that quite near what might have otherwise been the beginning, time gives way to space such that at first there is only space and no time. Beginnings are entities that have to do with time because time did not exist before the Big Bang, the concept of a beginning of the Universe is meaningless. According to the Hartle-Hawking proposal, the Universe has no origin as we would understand it: the Universe was a singularity in both space and time, pre-Big Bang. Thus, the Hartle-Hawking state Universe has no beginning, but it is not the steady state Universe it simply has no initial boundaries in time nor space.

The origin of the Universe also involves the question of creatio ex nihilo, creation out of nothing. Parmenides, of course, opposed creatio ex nihilo for "nothing comes out of nothing". Major religions are split on the issue with mainstream Christian faiths supporting the ability of the Creator to create out of nothing (although this begs the question of whether God Himself counts as pre-existing matter). Other faiths believe that the Universe was constructed from pre-existing, primordial matter, such that the pre-Universe was eternal and our "bubble" was created (Gensis 1:6 alludes to a pre-existing water that matter is constructed from).

Modern physics is perfectly happy with creatio ex nihilo meaning that things began as a zero-energy Universe, negative energy will become dark energy and positive energy will becomes matter, the sum equals zero. This is not a statement on a `cause' behind the origin of the Universe, nor is it a statement on a lack of purpose or destiny. It is simply a statement that the Universe was emergent, that the actual of the Universe probably derived from a indeterminate sea of potentiality that we call the quantum vacuum, whose properties may always remain beyond our understanding.

The cosmic singularity, that was the Universe at the beginning of time, is shielded by the lack of any physical observers. But the next level of inquiry is what is the origin of the emergent properties of the Universe, the properties that become the mass of the Universe, its age, its physical constants, etc. The answer appears to be that these properties have their origin as the fluctuations of the quantum vacuum.

The properties of the Universe come from `nothing', where nothing is the quantum vacuum, which is a very different kind of nothing. If we examine a piece of `empty' space we see it is not truly empty, it is filled with spacetime, for example. Spacetime has curvature and structure, and obeys the laws of quantum physics. Thus, it is filled with potential particles, pairs of virtual matter and anti-matter units, and potential properties at the quantum level.

The creation of virtual pairs of particles does not violate the law of conservation of mass/energy because they only exist for times much less than the Planck time. There is a temporary violation of the law of conservation of mass/energy, but this violation occurs within the timescale of the uncertainty principle and, thus, has no impact on macroscopic laws.

The quantum vacuum is the ground state of energy for the Universe, the lowest possible level. Attempts to perceive the vacuum directly only lead to a confrontation with a void, a background that appears to be empty. But, in fact, the quantum vacuum is the source of all potentiality. For example, quantum entities have both wave and particle characteristics. It is the quantum vacuum that such characteristics emerge from, particles `stand-out' from the vacuum, waves `undulate' on the underlying vacuum, and leave their signature on objects in the real Universe.

In this sense, the Universe is not filled by the quantum vacuum, rather it is `written on' it, the substratum of all existence.

With respect to the origin of the Universe, the quantum vacuum must have been the source of the laws of Nature and the properties that we observe today. How those laws and properties emerge is unknown at this time.

The fact that the Universe exists should not be a surprise in the context of what we know about quantum physics. The uncertainty and unpredictability of the quantum world is manifested in the fact that whatever can happen, Est-ce que happen (this is often called the principle of totalitarianism, that if a quantum mechanical process is not strictly forbidden, then it must occur).

For example, radioactive decay occurs when two protons and two neutrons (an alpha particle) leap out of an atomic nuclei. Since the positions of the protons and neutrons is governed by the wave function, there is a small, but finite, probability that all four will quantum tunnel outside the nucleus, and therefore escape. The probability of this happening is small, but given enough time (tens of years) it will happen.

The same principles were probably in effect at the time of the Big Bang (although we can not test this hypothesis within our current framework of physics). But as such, the fluctuations in the quantum vacuum effectively guarantee that the Universe would come into existence.

The earliest moments of Creation are where our modern physics breakdown, where `breakdown' means that our theories and laws have no ability to describe or predict the behavior of the early Universe. Our everyday notions of space and time cease to be valid.

Although we have little knowledge of the Universe before the Planck time, only speculation, we can calculate when this era ends and when our physics begins. The hot Big Bang model, together with the ideas of modern particle physics, provides a sound framework for sensible speculation back to the Planck era. This occurs when the Universe is at the Planck scale in its expansion.

Remember, there is no `outside' to the Universe. So one can only measure the size of the Universe much like you measure the radius of the Earth. You don't dig a hole in the Earth and lower a tape measure, you measure the circumference (take an airplane ride) of the Earth and divide by 2&pi (i.e. C = 2 &pi radius).

The Universe expands from the moment of the Big Bang, but until the Universe reaches the size of the Planck scale, there is no time or space. Time remains undefined, space is compactified. String theory maintains that the Universe had 10 dimensions during the Planck era, which collapses into 4 at the end of the Planck era (think of those extra 6 dimensions as being very, very small hyperspheres inbetween the space between elementary particles, 4 big dimensions and 6 little tiny ones).

During the Planck era, the Universe can be best described as a quantum foam of 10 dimensions containing Planck length sized black holes continuously being created and annihilated with no cause or effect. In other words, try not to think about this era in normal terms.

One of the reasons our physics is incomplete during the Planck era is a lack of understanding of the unification of the forces of Nature during this time. At high energies and temperatures, the forces of Nature become symmetric. This means the forces resemble each other and become similar in strength, i.e. they unify.

An example of unification is to consider the interaction of the weak and electromagnetic forces. At low energy, photons and W,Z particles are the force carriers for the electromagnetic and weak forces. The W and Z particles are very massive and, thus, require alot of energy (E=mc 2 ). At high energies, photons take on similar energies to W and Z particles, and the forces become unified into the electroweak force.

There is the expectation that all the nuclear forces of matter (strong, weak and electromagnetic) unify at extremely high temperatures under a principle known as Grand Unified Theory, an extension of quantum physics using as yet undiscovered relationships between the strong and electroweak forces.

The final unification resolves the relationship between quantum forces and gravity (supergravity).

In the early Universe, the physics to predict the behavior of matter is determined by which forces are unified and the form that they take. The interactions just at the edge of the Planck era are ruled by supergravity, the quantum effects of mini-black holes. After the separation of gravity and nuclear forces, the spacetime of the Universe is distinct from matter and radiation.

The first moments after the Planck era are dominated by conditions were spacetime itself is twisted and distorted by the pressures of the extremely small and dense Universe.

Most of these black holes and wormholes are leftover from the Planck era, remnants of the event horizon that protected the cosmic singularity. These conditions are hostile to any organization or structure not protected by an event horizon. Thus, at this early time, black holes are the only units that can survive intact under these conditions, and serve as the first building blocks of structure in the Universe, the first `things' that have individuality.

Based on computer simulations of these early moments of the Universe, there is the prediction that many small, primordial black holes were created at this time with no large black holes (the Universe was too small for them to exist). However, due to Hawking radiation, the primordial black holes from this epoch have all decayed and disappeared by the present-day.

Matter arises at the end of the spacetime foam epoch as the result of strings, or loops in spacetime. The transformation is from ripping spacetime foam into black holes, which then transmute into elementary particles. Thus, there is a difference between something of matter and nothing of spacetime, but it is purely geometrical and there is nothing behind the geometry. Matter during this era is often called GUT matter to symbolize its difference from quarks and leptons and its existence under GUT forces.

Hawking, an English theoretical physicist, was one of the first to consider the details of the behavior of a black hole whose Schwarzschild radius was on the level of an atom. These black holes are not necessarily low mass, for example, it requires 1 billion tons of matter to make a black hole the size of a proton. But their small size means that their behavior is a mix of quantum mechanics rather than relativity.

Before black holes were discovered it was know that the collision of two photons can cause pair production. This a direct example of converting energy into mass (unlike fission or fusion which turn mass into energy). Pair production is one of the primary methods of forming matter in the early Universe.

Note that pair production is symmetric in that a matter and antimatter particle are produced (an electron and an anti-electron (positron) in the above example).

Hawking showed that the strong gravitational gradients (tides) near black holes can also lead to pair production. In this case, the gravitational energy of the black hole is converted into particles.

If the matter/anti-matter particle pair is produced below the event horizon, then particles remain trapped within the black hole. But, if the pair is produced above the event horizon, it is possible for one member to fall back into the black hole, the other to escape into space. Thus, the black hole can lose mass by a quantum mechanical process of pair production outside of the event horizon.

The rate of pair production is stronger when the curvature of spacetime is high. Small black holes have high curvature, so the rate of pair production is inversely proportional to the mass of the black hole (this means its faster for smaller black holes). Thus, Hawking was able to show that the mini or primordial black holes expected to form in the early Universe have since disintegrated, resolving the dilemma of where all such mini-black holes are today.