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Trous noirs : leur évaporation pose problème

Publié le 13 Nov 2021 à 12H00 Modifié le 30 décembre 2022
Trou noir récalcitrant
Pour éviter un paradoxe physique, Stephen Hawking avait postulé un mécanisme d'évaporation des trous noirs. Mais une catégorie particulière de ces astres semble échapper au phénomène... Re-paradoxe ?

Le physicien britannique Stephen Hawking avait montré dans les années 1970 qu’un trou noir peut perdre de la masse en irradiant de la chaleur (photons thermiques), ce que l’on a nommé la radiation de Hawking.

Avec cela, le physicien britannique résolvait un paradoxe hérité de la Relativité, à savoir que les trous noirs seraient des astres éternels – ce qui n’est pas admissible physiquement, notamment à cause des lois de la thermodynamique.

Le phénomène d’évaporation peut sembler contradictoire puisqu’un trou noir, selon les équations de la théorie de la relativité, ne recrache absolument rien. Mais Hawking à déduit cette radiation des lois de la mécanique quantique et non de celles, gravitationnelles, de la relativité. Aussi, sa radiation ne contredit pas cette dernière.

Donc au cours du temps un trou noir perdrait de la masse. Si l’on considère l’horizon des évènements, cette frontière sphérique immatérielle sous laquelle toute forme de matière ou d’énergie ne peut ressortir, celle-ci diminuerait progressivement de diamètre jusqu’à disparaître.

Mais problème : il existe des trous noirs particuliers, dits extrémaux, qui posent un sérieux problème à la radiation de Hawking et au processus d’évaporation, mettant à rude épreuve les limites de nos connaissances actuelles.

Bien sûr, tout cela est théorique car dans la pratique, c’est à peine si l’on arrive à observer par télescope le profil flou d’un trou noir

Les trous noirs extrémaux

Un trou noir, s’il possède évidemment une masse, peut également posséder une charge électrique globale, simple conséquence du fait qu’il a pu absorber beaucoup de matière chargée par exemple négativement.

Des travaux théoriques menés depuis une quinzaine d’années ont montré qu’un trou noir ne peut accumuler indéfiniment de la charge électrique : en fonction de sa masse, il existe une limite à la charge qu’il peut porter.

Quand un trou noir chargé perd progressivement de la masse par évaporation, il arrive un moment où sa charge, relativement à sa masse, atteint la limite. En effet, le processus d’évaporation de Hawking ne libère pas des charges électriques. Les trous noirs ayant atteint cette limite sont dits extrémaux.

Paradoxes et prochaine théorie fondamentale

Si un trou noir arrivé au stade extrémal perdait davantage de masse, cela contredirait les lois de la thermodynamique, d’où le problème : un trou noir extrémal est supposé stopper son évaporation et rester identique à lui-même de toute éternité… Ce qui est également une impossibilité physique.

Ce paradoxe des trous noirs extrémaux impulse aujourd’hui d’intenses travaux théoriques frayant avec la théorie de la gravité quantique, encore en construction. Cette théorie, quand elle existera, devrait permettre de dépasser les limites du pouvoir de résolution des deux théories fondamentales, le mécanique quantique et la relativité, déjà centenaires.

Ainsi, un article publié en mars dernier semble aller dans la bonne voie : les chercheurs ont introduit une analyse locale des processus se déroulant à l’horizon des évènements dans laquelle ils entremêlent quantique et relativité.

Leur travail, extrêmement théorique, permet de tordre le cou au paradoxe des trous noirs extrémaux en levant le principe d’une limite de charge en fonction de la masse. Mais cela a nécessité un grand nombre d’hypothèses théoriques portant sur cette « prochaine » théorie, la gravitation quantique, encore inconnue…

Leur résultat, s’il est validé, devrait contribuer à dresser encore plus finement le profil de cette future théorie de la physique qui, pour être correcte, devra « permettre » aux trous noirs extrémaux de s’évaporer – peut-être par un autre mécanisme que celui de Hawking.

Source : Physical Review Letters, mars 2020

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