S C I E N C E V I E j u I l l E t j u I l l E t S C I E N C E V I E

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Niveau: Secondaire, Lycée
98 S C I E N C E & V I E > j u I l l E t > 2 0 10 2 0 10 > j u I l l E t > S C I E N C E & V I E 99 RepèRes Trous noirs Ils les recréent en laboratoire Par Mathieu Grousson En alliant mécanique quantique et relativité générale, le physicien Stephen Hawking est, dans les années 1970, par- venu à un résultat stupéfiant : les trous noirs, à qui rien ni per- sonne ne peut échapper, émettent néanmoins une radiation. Trop peu intense, cette “radiation Hawking” est indétectable à partir d'un trou noir astrophysique. Mais plusieurs groupes de physiciens seraient sur le point de la débusquer en laboratoire. ? Il y a dix-huit mois, l'hypothèse selon laquelle des mini-trous noirs pour- raient être engendrés par le nouvel ac- célérateur de particules géant du Cern, à la frontière franco-suisse, provoquait l'émoi. N'était-il pas irresponsable de risquer de créer un de ces astres si denses que rien ne peut échapper à leur gravité, au point que même la lumière, une fois entraînée dans leur giron, n'a plus aucune chance de s'en extraire ? Le monde ne risquait-il pas d'être englouti dans cette expérience hors norme ? A Genève, l'hypothèse fut considérée… sans déclencher la moindre panique.

  • mécanique quantique

  • condensats de bose einstein

  • communautés des théoriciens de la gravitation et des expérimentateurs de la matière condensée

  • onde inci- dente pénétrant dans le condensat dans le sens opposé

  • trou noir

  • condensat

  • fluctuations du vide

  • émission de quantas lumineux


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> PhySIquEfondamental
R R En alliant mécanique quantique et relativité générale, Les physiciens Ger
main Rousseaux, Jeff le physicien Stephen Hawking est, dans les années 1970, par-
Steinhauer et Ulf Leon
hardt traquent les trous venu à un résultat stupéfiant : les trous noirs, à qui rien ni per-
noirs dans… l’eau, les
atomes et la lumière ! sonne ne peut échapper, émettent néanmoins une radiation.
Trop peu intense, cette “radiation Hawking” est indétectable à
partir d’un trou noir astrophysique. Mais plusieurs groupes de
physiciens seraient sur le point de la débusquer en laboratoire.
Trous
noirs
Ils les recréent
en laboratoire
Par Mathieu Grousson
Il y a dix-huit mois, l’hypothèse selon fracas de la Big Science expérimentée
laquelle des mini-trous noirs pour- au Cern, d’autres physiciens ont
raient être engendrés par le nouvel ac- réellement entrepris d’étudier, entre
célérateur de particules géant du Cern, les quatre murs de leur laboratoire, la
à la frontière franco-suisse, provoquait possibilité de faire surgir ces fascinants
l’émoi. N’était-il pas irresponsable de monstres astrophysiques.
risquer de créer un de ces astres si Et d’aucuns sont déjà parvenus à
denses que rien ne peut échapper à en créer ! Ces scientifiques seraient
leur gravité, au point que même la même sur le point de mettre en évi-
lumière, une fois entraînée dans leur dence l’une de leurs plus étonnantes
giron, n’a plus aucune chance de s’en propriétés : la radiation Hawking.
extraire ? Le monde ne risquait-il pas Prédit dans les années 1970 par le
d’être englouti dans cette expérience célèbre physicien britannique, ce
hors norme ? A Genève, l’hypothèse rayonnement prêté aux trous noirs est
fut considérée… sans déclencher la actuellement l’une des deux seules
moindre panique. Car aux dires des prédictions que la théorie quantique
spécialistes, elle s’avère très haute- (qui s’applique dans le monde infini-
ment improbable. Pourtant, loin du ment petit des particules) parvient →
98 SCIENCE & VIE > ju Ill Et > 2010 2010 > ju Ill Et > SCIENCE & VIE 99
o.monge/myop - g.cook - T echnion - c.kuklewicz
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es epè>fondamental PhySIquE
Dans le cosmos
Fluctuation du vide
2 photons sont horizon
engendrés du trou
noir
Photon trou
éjecté noir
Ils sont Ici, un laser
annihilés devrait permettre Photon
d’obtenir une forme 2 photons capturé
de trou noir dans sont engendrés
des atomes froids.
Fluctuation du vide
LES trou S noir S étudié S…
Sur l’horizon du trou noir
Des photons peuvent échapper dans les atomes
à l’attraction d’un trou noir
Depuis 1995, les physi- ment les propriétés de détecté l’émission tant Dans le cosmos, les photons engendrés naturellement
ciens désireux d’explo- la radiation Hawking !” espérée de quantas de par les fluctuations du vide sont annihilés. Au contraire,
lorsqu’une paire de photons émerge sur l’horizon d’un rer les phénomènes En 2009, j eff Stein- sons, nés des fluctua-
trou noir, l’un est happé par le trou noir (modélisé ci- quantiques disposent hauer et son équipe, à tions quantiques spon-
contre), l’autre est éjecté vers l’extérieur, constituant une
d’un précieux terrain l’Institut de technolo- tanées du condensat, radiation. Prédite par hawking, celle-ci reste à démontrer.
d’expérience : les gie d’Israël, ont franchi au niveau de l’horizon
condensats de Bose- une étape cruciale – autrement dit, l’équi-
Einstein. Imaginé par dans cette direction : valent de la radiation à porter dans le cadre de la relati- Tout commence en 1973. A la suite quantique dans la physique des trous mécanique quantique ; G, la constante →
Einstein soixante-dix ils ont réussi à créer un hawking dans leur sys-vité générale (où évoluent les astres). de discussions avec John Wheeler, son noirs qui, jusqu’alors, s’est contentée de la gravitation ; et k, la constante de
ans plus tôt, cet état analogue de trou noir. tème ? Pas encore. A dire vrai, on ne parle pas là de directeur de thèse, Jacob Bekenstein, du cadre classique de la relativité Boltzmann de la thermodynamique.
singulier de la matière Comment ? En “pous- Car d’après les calculs,
trous noirs gravitationnels, susceptibles alors à Princeton, met en lumière un générale. Plus précisément, il montre Hélas, ils déchantent rapidement.
est formé par une col- sant” violemment les la température, actuel-
d’avaler la Terre en un instant. Mais mystérieux phénomène. En appliquant que même en l’absence de toute onde Car d’après les observations indirectes
lection d’atomes refroi- atomes formant un lement 0,3 nanokelvin,
de ce que les scientifiques appellent les lois de la thermodynamique à l’étude lumineuse incidente, les fluctuations recueillies sur les trous noirs qui peu- dis à des températures condensat avec une y est encore dix fois
des “analogues”. Soit des systèmes des trous noirs, il arrive à la conclusion quantiques du vide peuvent faire plent notre univers, il apparaît que ces proches du zéro ab- impulsion laser. Au trop élevée pour que
solu, dans lequel les point que leur vitesse la radiation puisse être physiques a priori très différents de que ceux-ci ont une température. Or, surgir du néant une paire de photons derniers devraient émettre une radia-
atomes perdent leur dépasse la vitesse du détectée. l’objet initial à étudier, mais dont les c’est un phénomène bien connu des (des grains de lumière) à cheval sur tion Hawking d’une si faible intensité
individualité : ils ne for- son dans ledit conden- Reste donc aux expéri-l’horizon d’un trou noir, cette fron- qu’elle restera à jamais noyée dans le
ment plus qu’un seul sat. Comme le précise mentateurs à imaginer
tière au-delà de laquelle tout ce qui bruit de fond cosmique. Autrement Dans quelle expérience se manifestera
objet quantique. Et le scientifique, “cela a comment contourner
est entré dans le giron de l’astre est dit, personne ne pourra jamais la
selon Renaud Paren- entraîné la formation le problème afin que en premier la radiation de Hawking ?
irrémédiablement perdu pour le reste détecter. Et donc la valider au-delà tani, “ils offrent une d’un horizon pour se trahisse la fameuse
propriétés sont régies par les mêmes physiciens, tout corps pourvu d’une de l’Univers. Or, dans ce cas, alors que de la théorie… vraie opportunité de ondes acoustiques”. radiation. l es choses
tester expérimentale- En effet, une onde inci- pourraient bientôt équations exactement. Décevant ? Pas température émet un rayonnement l’un des photons émis en direction du
r ds a dente pénétrant dans s’accélérer, puisque si l’on considère que ces analogues électromagnétique dit thermique. Le trou noir tombera irrémédiablement L’EXp éri En CE le condensat dans le le titulaire du prix sont l’unique chance d’observer la résultat ne manque pas d’étonner, dans l’abîme, l’autre, émis vers l’exté- C’était sans compter sur ces fameux
sens opposé à son dé- Nobel 2001, Eric Cor-Cn du tu n : radiation Hawking. Alors même que, puisque les trous noirs sont censés ne rieur échappera à l’attraction de l’astre, “analogues” ! Bill Unruh, de l’uni-
placement n’a plus la nell, premier physicien par écoulement supersonique
comme l’indique Renaud Parentani du rien régurgiter de ce qu’ils avalent, pas constituant la fameuse radiation. versité de Colombie-Britannique, des atomes d’un condensat moindre chance de le à avoir produit un
Laboratoire de physique théorique, à même le moindre grain de lumière. La prédiction de Hawking fait la joie à Vancouver, remarque en effet en Q : jeff Steinhauer, à l’Institut traverser et d’en res- condensat de Bose-
de technologie d’IsraëlOrsay, “la non-existence de la radiation Quelques années plus tard, à Cam- des théoriciens. De fait, son expression 1981 que les ingrédients nécessaires à sortir. Elle est prison- Einstein avec Carl Wie-
E d E La r nière, à l’instar de tout man, à l’université du Hawking, parce qu’elle se fonde à la fois bridge, Stephen Hawking, dans un pre- mathématique emprunte aux deux l’apparition de la radiation Hawking
Hwkian g tta Endu E :
ce qu’engloutissent les Colorado, pourrait se sur la mécanique quantique, la relativité mier temps farouchement opposé aux grandes théories de la physique et, ne sont pas l’apanage de la gravitation. acoustique
véritables trous noirs. lancer dans la course. générale et la thermodynamique, remet- conclusions de Bekenstein, comprend de ce fait, mêle les quatre constantes Ces ingrédients sont : un espace-temps S E p C L E : Eric
l es physiciens israé- Avec, qui sait, un se-
Cornell, prix Nobel de physique, trait en cause notre compréhension de que cette bizarrerie nécessite l’intro- fondamentales : c, la vitesse de la lu- déformé au point de délimiter un ho-
liens ont-ils pour autant cond Nobel à la clé !pourrait se lancer dans la course
pans entiers de la physique”. duction d’une dose de mécanique mière ; h, la constante de Planck de la rizon dont rien ne peut s’échapper →
100 SCIENCE & VIE > ju Ill Et > 2010 2010 > ju Ill Et > SCIENCE & VIE 101
Technion - m .konTenTe - a.riazuelo
r i u itra ngi
aindaoit arut n
iu
rio or aéorit
nalogues e imagien>fondamental PhySIquE
Ce dispositif optique
(ce qui, dans le cas des trous noirs, c omplexe permet à Ulf Leon­→
hardt de produire un analo­est le fruit de la gravitation), et la prise
gue de trou noir à l’intérieur
en compte des propriétés quantiques d’une fibre optique.
du milieu dans lequel ces trous noirs
évoluent. Soit, dans le cas astrophy-
sique, celles du vide.
En pratique, Unruh imagine, en
guise d’“espace-temps” courbe, un
fluide compressible animé d’un
mouvement accéléré. Fluide qui, du
fait de ce mouvement, entraverait les
évolutions d’une onde acoustique se
propageant en sens contraire… au
point de la retenir dans une région
limitée de l’espace, autrement dit
un trou noir ou encore son exact
opposé : un trou blanc ! A l’inverse
de son insatiable cousin, celui-ci agit
comme un mur infranchissable, il est
incapable d’avaler quoi que ce soit.
Ce qui ne change rien à l’affaire :
“Conceptuellement, un trou blanc
n’est rien d’autre qu’un trou noir dès
lors que le temps s’écoule à l’envers”,
explique Renaud Parentani. L’ho-
rizon devrait donc aussi être le siège
d’une émission de quantas lumineux
présentant toutes les propriétés de la
radiation Hawking.
e la pe à la r
Ensuite, même s’il ne s’agit que
d’une expérience de pensée, Unruh
tire les conséquences d’un traitement
quantique de cette situation. Il montre LES trou S noir S étudié S…
alors que l’horizon qu’il a défini émet lumi neuse, lors de sa scientifique allemand rattrape la première. article). Alors à quand
L’EXp éri En CEspontanément des quantas acous- propagation au sein a envoyé une pre- Or, il n’en est rien. sa détection de la
tiques même en l’absence de toute d’un milieu matériel, mière impulsion lumi- En effet, la première fameuse radiation ? dans la lumière Cn du tu n :
par modification de l’indice en modifie localement neuse dans une fibre impulsion modifiant ulf l eonhardt onde acoustique initiale. C’est donc
de réfraction d’une fibre
l’indice de réfraction. optique. Puis, une l’indice de réfraction s’avance : “un étu-a priori, rien de com - monstre astrophysi- 2000, précise-t-il. mais bien une radiation Hawking qui appa- optique
mun entre un trou noir que. Et, il faut l’admet- ce n’est que quatre Restait à trouver fraction de seconde de la fibre sur son diant vient d’arriver raît théoriquement ici ! “Du point de Q : ulf l eonhardt,
une configuration plus tard, il a lancé passage, elle ralentit dans notre laboratoire et… une fibre optique. tre, ce spécialiste de ans plus tard que j’ai à l’université de Saint-vue de leur description mathématique,
Si ce n’est qu’avec l’optique non linéaire trouvé le moyen de la permettant d’engen- à ses trousses une la seconde dès lors pour travailler sur Andrews (Ecosse)
les deux situations présentent une ana- drer une “déforma- seconde impulsion, que cette dernière la question. Je ne ce type de matériau, est bien parti. En mettre en pratique.” E d E La r
logie profonde, explique Bill Unruh. ulf l eonhardt, à 2008, il est en effet Pour engendrer un tion” suffisante pour dont la longueur la talonne d’un peu sais pas exactement Hwkian g tta Endu E :
optique (ou lumineuse)Ça a été une surprise pour moi, parce qu’un rayon de d’onde a été choisie trop près, lui interdi- à quelle distance l’université de Saint parvenu à créer l’équi- “espace-temps”
S E p C L E : Andrews, en Ecosse, valent de l’horizon courbe, ulf l eonhardt lumière voie sa de telle sorte qu’elle sant de la pénétrer. nous nous trouvons que jusqu’ici, je pensais que la gravi-
ulf l eonhardt est mondia-course ralentie, voire voyage plus vite que On obtient donc un du but, mais nous espère être le premier d’un trou noir au sein a joué sur une pro-tation offrait un cadre exclusif pour la lement reconnu pour ses
à observer un analo- d’une fibre optique. priété bien connue arrêtée net, comme la première. Ainsi, trou blanc, tel celui ne sommes plus travaux sur les méta-radiation Hawking.”
matériaux, notamment dans un trou noir. on s’attend à ce que de l’expérience de très loin.“ l es paris gue de la radiation “l ’idée d’un tel analo- des opticiens : le fait
Reste qu’à l’époque, l’analogie les “capes” d’invisibilité
hawking émise par un gue m’est venue en qu’une impulsion Pour ce faire, le la seconde impulsion pensée d’unruh (voir sont lancés !
proposée par Unruh n’est qu’une →
102 SCIENCE & VIE > ju Ill Et > 2010 2010 > ju Ill Et > SCIENCE & VIE 103
c.kuklewicz
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rio or aéorit
aléisation ensé d>fondamental PhySIquE
C’est dans un canal à
expérience de pensée qui semble houle, à Sofia­Antipolis, → LES trou S noir S étudié S…que l’équipe de Germain difficilement réalisable. Parce que les
Rousseaux tente de
communautés des théoriciens de la simuler une radiation
Hawking macroscopique.gravitation et des expérimentateurs de dans l’eau
la matière condensée sont beaucoup
trop éloignées pour que des projets Pour le profane, c’est spontanée, laissée au quantique, il est hors
l’endroit le plus inat- gré des soubresauts de question de détec-communs émergent. Mais les choses
tendu pour observer quantiques désordon- ter une radiation évoluent. Au point que depuis 2008,
des trous noirs : une nés des atomes, le hawking spontanée.
plusieurs colloques ont été organisés
piscine ! Mais pas pour processus ne donne Mais en ajustant cor-
afin de rapprocher les différentes Germain Rousseaux, lieu à aucune manifes- rectement les proprié-
communautés. Si bien que ces der- du l abora toire jean- tation macroscopique tés de l’onde inciden-
nières années, en Israël, en Ecosse, Alexandre Dieudonné, particulière. Mais lors- te, à l’aide d’équations
à Nice. Ni pour le théo- que l’on stimule l’émis- hydrodynamiques ex-à Vancouver ou encore à Nice,
ricien inventeur des sion en excitant les trêmement sophisti-plusieurs groupes (voir pp. 101, 103
analogues de trous atomes avec des pho- quées, il est en prin-
et 105.) sont parvenus à reproduire
noirs lui-même, Bill tons identiques à ceux cipe possible de
l’équivalent de l’horizon d’un trou unruh. tous deux se qu’ils émettent spon- stimuler une radiation
noir sur leur paillasse, dans différents sont lancés dans l’ex- tanément, le résultat hawking macroscopi-
périence, l’un en Fran- est précisément l’effet que, qui prendra la systèmes physiques !
ce, l’autre au Canada. laser, c’est-à-dire une forme de vaguelettes
De fait, si la radiation émission de photons émises au niveau de
hawking résulte de dits “cohérents“. Or, l’horizon, dans le sens
Pour l’heure, personne n’a encore
l’émission spontanée cet effet est non seule- de l’écoulement.
annoncé l’observation de la mysté- de quantas de lumière, ment visible à l’œil nu, A ce jour, Germain
rieuse radiation. Mais c’est proba- ce phénomène quanti- mais sa propagation Rousseaux et son
que possède une est aussi parfaitement équipe ont déjà mené blement pour bientôt. “On assiste
contrepartie classique interprétable dans le deux campagnes de à une multiplication des possibilités,
a priori détectable cadre des équations mesures. “nous avons
indique Renaud Parentani. C’est dé-
dans un bon vieux sys- de l’optique classique. enregistré des phéno-
sormais aux expérimentateurs de faire tème macroscopique ! l a physique quantique mènes qui vont dans le
leur travail !” Certes, quelle que soit Exactement comme n’est ici nécessaire que bon sens, explique-t-il.
l’issue de ces expériences, elles ne dans le cas du rayon pour comprendre l’ori- mais ça n’est que très
laser ! Comme l’a expli- gine du phénomène, récemment que nous seront jamais que des analogues, sans
qué Einstein, ce rayon pas sa manifestation. avons développé la possibilité d’approcher ce Graal de
de lumière est un effet De même, la radiation théorie permettant de
la physique où mécanique quantique
purement quantique : hawking possède une les interpréter sans
et relativité générale se rejoignent. il résulte de l’émission face classique, poten- ambiguïté. Ce travail
Pour autant, elles offriront sans de photons par des tiellement détectable est en cours.”
atomes lorsqu’ils se dans un écoulement De son côté, Bill unruh doute la seule possibilité d’étudier en
désexcitent. quand d’eau tout ce qu’il y a ne s’étend pas sur détail l’une des prédictions les plus
l’émission est de plus classique. l’état d’avancement de étonnantes de la physique. Et en la
Précisément, il s’agit là ses expériences, réali-
confirmant, elle évitera de plonger la L’EXp éri En CE encore de créer un sées dans les immen-
physique dans une douloureuse re- horizon, qui cette fois ses bassins à vagues Cn du tu n :
mise en question. La radiation Haw- par un courant résulte d’un courant de l’industrie maritime,
hydrodynamique dont la vitesse est florissante dans les king se manifestera-t-elle en premier
Q : Germain Rousseaux, s upérieure à celle de environs de Vancouver. dans les atomes, dans la lumière, ou
au l aboratoire jean-Alexandre vagues se propageant tout juste concède-t-il :
Dieudonné, à Nice. Et Bill unruh, tout simplement dans l’eau ? Petit
en sens inverse, créant “l es expériences que à l’université de Colombie-
tour d’horizon des expériences les Britannique une zone interdite Germain r ousseaux et
plus prometteuses. z pour ces dernières. moi-même réalisons E d E La r
Hwkian g tta Endu E : Dans un tel système, sont les meilleures
vaguelettes à la surface
dont la taille et la tem- chances de détection > EN SAVOIR PLUS de l’eau
pérature empêchent de la contrepartie clas-
Le site de l’expérience d’Ulf S E p C L E :
définitivement la mani- sique de la radiation la radiation hawking est ici Leonhardt : www.st andrews.
quasiment visible à l’œil nu festation de tout effet Hawking.” A suivre…ac.uk/~ulf/fibre.html
104 SCIENCE & VIE > j u I l l E t juIllE t > SCIENCE & VIE 105
.o monge/moyp
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