Rayonnement de Hawking

Le rayonnement de Hawking est le processus d’émission de diverses particules élémentaires par un trou noir, qui a été décrit théoriquement par le scientifique britannique Stephen Hawking en 1974.

Historique de l’origine de la question

Bien avant la publication des travaux de Stephen Hawking, la possibilité d’un rayonnement de particules par les trous noirs a été exprimée par le physicien théoricien soviétique Vladimir Gribov lors d’une discussion avec un autre scientifique, Yakov Zeldovich.

Alors qu’il effectuait des recherches sur le comportement des particules élémentaires à proximité d’un trou noir, Stephen Hawking, âgé de trente ans, s’est rendu à Moscou en 1973. Dans la capitale, il réussit à participer à une discussion scientifique avec deux éminents scientifiques soviétiques, Alexei Starobinsky et Yakov Zeldovich. Travaillant depuis un certain temps sur l’idée de Gribov, ils sont parvenus à la conclusion que les trous noirs peuvent émettre des particules élémentaires grâce à l’effet tunnel. Ce dernier signifie l’existence de la probabilité qu’une particule puisse franchir n’importe quelle barrière, du point de vue de la physique quantique. Intéressé par ce sujet, Hawking a étudié la question en détail et a publié en 1974 ses travaux, qui ont ensuite été baptisés du nom de ce rayonnement.

Stephen Hawking a décrit le processus d’émission de particules par un trou noir d’une manière légèrement différente. La cause première de ce rayonnement est ce que l’on appelle les «particules virtuelles».

Les particules virtuelles

Le concept de particules virtuelles

En décrivant les interactions entre les particules, les scientifiques sont arrivés à l’idée que ces interactions se produisent par l’échange de certains quanta («portions» d’une certaine quantité physique). Par exemple, l’interaction électromagnétique dans un atome entre un électron et un proton se produit par l’échange de photons (porteurs de l’interaction électromagnétique).

Mais le problème suivant se pose alors. Si nous considérons cet électron comme une particule libre, il ne peut en aucun cas émettre ou absorber simplement un photon, conformément au principe de conservation de l’énergie. En d’autres termes, il ne peut pas simplement perdre ou gagner de l’énergie. C’est alors que les scientifiques ont créé ce que l’on appelle les «particules virtuelles». Ces dernières se distinguent des particules réelles par le fait qu’elles naissent et disparaissent si rapidement qu’il est impossible de les enregistrer. Tout ce que les particules virtuelles parviennent à faire pendant leur courte période de vie est de transmettre des impulsions à d’autres particules sans transférer d’énergie.

Ainsi, même l’espace vide, en vertu de certaines fluctuations physiques (écarts aléatoires par rapport à la norme), fourmille tout simplement de ces particules virtuelles, qui naissent et disparaissent constamment.

Le synchrophasotron a montré que l’existence de particules virtuelles est en principe possible

Rayonnement de Hawking

Contrairement aux physiciens soviétiques, la description du rayonnement par Stephen Hawking est basée sur des particules abstraites et virtuelles qui font partie intégrante de la théorie quantique des champs. Le physicien théoricien britannique envisage l’émergence spontanée de ces particules virtuelles à l’horizon des événements d’un trou noir. Dans ce cas, le puissant champ gravitationnel du trou noir est capable de «répandre» les particules virtuelles avant même le moment de leur annihilation, les transformant ainsi en particules réelles. De tels processus sont observés expérimentalement dans les synchrophasotrons, où les scientifiques parviennent à disperser ces particules, tout en dépensant une certaine quantité d’énergie.

Du point de vue de la physique, l’émergence de particules réelles dotées d’une masse, d’un spin, d’une énergie et d’autres caractéristiques, dans l’espace vide «à partir de rien», contredit la loi de conservation de l’énergie et est donc tout simplement impossible. Par conséquent, la «transformation» de particules virtuelles en particules réelles nécessitera une énergie au moins égale à la masse totale de ces deux particules, conformément à la loi bien connue E=mc 2 . Une telle réserve d’énergie permet au trou noir de répandre des particules virtuelles sur l’horizon des événements.

Matériel sur le sujet

À la suite du processus de diffusion, l’une des particules, qui est plus proche de l’horizon des événements ou même en dessous, se «transforme» en particule réelle et se dirige vers le trou noir. L’autre, dans la direction opposée, voyage librement dans l’espace. En effectuant des calculs mathématiques, il est possible de s’assurer que malgré l’énergie (masse) reçue de la particule tombant sur la surface du trou noir, l’énergie dépensée par le trou noir dans le processus de propagation est négative. C’est-à-dire qu’en fin de compte, à la suite du processus décrit, le trou noir n’a perdu qu’une certaine réserve d’énergie, qui, de plus, est exactement égale à l’énergie (masse) possédée par la particule qui s’est envolée «à l’extérieur».

Ainsi, selon la théorie décrite, le trou noir n’émet aucune particule, mais contribue à ce processus et perd une énergie équivalente. En suivant la loi d’Einstein déjà mentionnée de l’équivalence de la masse et de l’énergie, il devient clair que le trou noir n’a nulle part où prendre de l’énergie, si ce n’est dans sa propre masse.

Même les trous noirs les plus massifs disparaîtront tôt ou tard

En résumé, nous pouvons dire qu’un trou noir émet une particule et perd en même temps de la masse. Ce dernier processus est appelé «évaporation du trou noir». Sur la base de la théorie du rayonnement de Hawking, on peut supposer qu’au bout d’un certain temps, même très long (des billions d’années), les trous noirs s’évaporeront tout simplement.

Faits intéressants

• De nombreuses personnes craignent que des trous noirs ne se forment au Grand collisionneur de hadrons (LHC), ce qui constituerait une menace pour la vie des Terriens. La naissance de trous noirs au LHC n’est possible que s’il existe des dimensions supplémentaires de l’espace-temps et de puissantes interactions gravitationnelles à courte distance. Cependant, un trou noir microscopique ainsi formé se vaporise instantanément sous l’effet du rayonnement de Hawking.
• Le rayonnement de Hawking peut être à l’origine du fonctionnement d’un réacteur singulier ou d’un réacteur collapsaire, un dispositif hypothétique qui génère des trous noirs microscopiques. L’énergie du rayonnement généré par leur évaporation serait la principale source d’énergie du réacteur.

Bien que le Grand collisionneur de hadrons semble redoutable, il n’y a rien à craindre grâce au rayonnement de Hawking.

• Après avoir publié ses travaux sur le rayonnement des trous noirs, Stephen Hawking s’est disputé avec un autre scientifique célèbre, Kip Thorne. L’objet du litige était la nature d’un objet prétendant être un trou noir, appelé Swan X-1. Bien que les travaux de Hawking reposent sur l’hypothèse de l’existence de trous noirs, il a soutenu que Swan X-1 n’était pas un trou noir. Il est à noter que les paris portaient sur des abonnements à des magazines. Le pari de Thorne était un abonnement de quatre ans au magazine satirique Private eye, tandis que celui de Hawking était un abonnement d’un an au magazine érotique Penthouse. La logique de son affirmation dans la controverse, Stephen l’a défendue comme suit : «même si je me trompe sur l’existence des trous noirs, je gagne au moins un abonnement au magazine».

Date de publication: 12-26-2023

Mettre à jour la date: 12-26-2023