Une équipe de chercheurs affirme avoir récemment détecté une signature révélatrice du rayonnement de Hawking stimulé provenant d’un trou noir post-fusion. Si l’analyse des données relatives aux ondes gravitationnelles effectuée par les chercheurs est correcte, il se peut qu’ils aient trouvé la première preuve d’une structure quantique à l’échelle de Planck à l’horizon des événements d’un trou noir (horizons quantiques). La signature clé d’un horizon non classique est un signal d’écho dans les ondes gravitationnelles détectées après la fusion primaire d’un système de trous noirs binaires. Les preuves sont provisoires, mais néanmoins prometteuses. Ces recherches sont essentielles pour faire progresser notre compréhension des effets quantiques dans la gravité forte, où de nouveaux aspects de la théorie de la gravité quantique peuvent être à l’œuvre, comme le montre la remarquable recherche intitulée « L’origine de la masse et la nature de la gravité« , dans laquelle le physicien Nassim Haramein et ses collègues Olivier Alirol et Cyprien Guermonprez ont étudié les effets de la gravité quantique sur la masse et la nature de la gravité en démontrant que l’énergie de masse du rayonnement de Hawking provenant d’un mini-trou noir à l’échelle baryonique produit exactement l’énergie observée de la masse au repos du proton, ce qui prouve que la masse au repos du proton est le résultat de fluctuations quantiques du vide du champ électromagnétique dans un espace-temps fortement incurvé. L’analyse des données d’ondes gravitationnelles pour une signature d’écho, l’arme fatale des horizons quantiques et du rayonnement de Hawking, en conjonction avec l’observation récente du rayonnement d’Unruh provenant d’électrons accélérés, est une confirmation significative des prédictions sur la gravité quantique de la physique unifiée, que nous voyons dans des solutions telles que celle de Haramein et al. Il s’agit d’une avancée majeure car on ne peut plus dire que le rayonnement Unruh-Hawking est « seulement théorique ».
Des scientifiques détectent des rayonnements de Hawking-Unruh en laboratoire et dans l’espace
Les ondes gravitationnelles sont actuellement l’un des signaux les plus révélateurs des trous noirs, car ces signaux sont sensibles à l’ensemble de l’espace-temps autour des objets massifs à horizon compact et constituent notre meilleure sonde des régions à champ fort telles que les horizons des événements. Les processus électromagnétiques à proximité des trous noirs ne peuvent sonder que la région située en dehors de la photosphère, c’est-à-dire la région autour d’un trou noir où les rayons lumineux sont piégés en orbite. Nous ne pouvons donc pas voir au-delà de la photosphère avec des signaux électromagnétiques pour, par exemple, observer et étudier l’horizon des événements d’un trou noir (il est intéressant de noter que, contrairement au terme clé caractérisant le « trou noir », à l’extérieur de la photosphère, certains trous noirs supermassifs sont les objets les plus brillants de l’univers connu). Les ondes gravitationnelles étant des signaux provenant des régions à champ intense des trous noirs, elles nous permettent d’étudier et de sonder ces régions insaisissables de l’espace-temps fortement incurvées qui sont normalement cachées sur le plan électromagnétique derrière la sphère de lumière « gelée » autour de la zone de l’horizon.
Ces régions de l’espace-temps fortement incurvées, comme l’horizon des événements, sont d’une importance capitale pour le développement et la compréhension actuels d’une théorie de la gravité quantique et de la physique unifiée, car la théorie quantique des champs dans les modèles de l’espace-temps incurvé prédit l’émission de particules à partir du vide quantique par la géométrie de l’espace-temps fortement incurvé des horizons des événements des trous noirs, ce qui est connu sous le nom de « rayonnement Hawking ». Le phénomène fascinant du rayonnement de Hawking a été proposé il y a plus de 45 ans par Stephen W. Hawking [1]. En utilisant une approximation semi-classique, c’est-à-dire en considérant des champs quantiques autour d’une géométrie classique, Hawking a réalisé que l’horizon des événements d’un trou noir dans la métrique de Schwarzschild devrait émettre des particules sans masse. Les trous noirs ne sont pas entièrement noirs. En vertu du principe d’équivalence, le rayonnement de Hawking est le même phénomène que le rayonnement d’Unruh, qui se traduit par un rayonnement thermique du vide quantique sous l’effet de l’accélération.
De manière intrigante, il y a eu récemment des preuves et une observation directe du rayonnement Unruh-Hawking au niveau des particules, comme indiqué dans notre article ISF Le rayonnement Unruh-Hawking observé dans les électrons accélérés [2,3]. La détection et la vérification du rayonnement Unruh-Hawking, au niveau des particules dans les électrons accélérés et à l’échelle astronomique dans les trous noirs post-fusion, est une vérification très significative des théories des effets de champ quantique dans les espaces-temps courbes et corrobore des études telles que The Origin of Mass and the Nature of Gravity, par Haramein et al. [1], où il est démontré que le rayonnement de type Hawking est à l’origine de la masse au repos observée du proton, révélant que non seulement les trous noirs sont des systèmes quantiques, mais que certains de nos systèmes quantiques les plus essentiels sont des micro-trous noirs.
En conjonction avec l’observation du rayonnement Unruh-Hawking au niveau des particules, un rapport d’analyse des données d’ondes gravitationnelles de l’Observatoire d’ondes gravitationnelles de l’interféromètre laser (LIGO) indique provisoirement la détection d’effets quantiques à l’horizon des événements d’un trou noir post-fusion. Les effets quantiques en question sont une forme d’émission de particules amplifiée à partir du vide quantique à l’horizon des événements du trou noir, appelée rayonnement Hawking stimulé. Le signal, que l’équipe de recherche affirme avoir détecté, est un signe révélateur de la structure quantique à l’échelle de Planck autour des trous noirs (ou d’objets exotiques massivement compacts, comme les supposés gravastars et étoiles à bosons), qui modifie la façon dont les ondes gravitationnelles interagissent avec la zone de l’horizon, comme la réflexion du rayonnement qui donne lieu à des échos d’ondes gravitationnelles [4].
Échos des abysses
Figure 1. Image de gauche : représentation schématique de la formation physique des échos d’ondes gravitationnelles à la suite de la fusion d’un trou noir. Les ondes gravitationnelles sont réfléchies à l’intérieur d’une cavité entre une membrane/pare-feu, qui est une structure quantique à l’échelle de Planck à l’horizon des événements, et une barrière de moment angulaire. Image de droite : un signal d’ondes gravitationnelles typique généré par une petite étoile tombant dans un objet compact massif avec un horizon (en haut) et avec un horizon quantique ou absent (en bas). Dans ce dernier cas, des « échos » d’ondes gravitationnelles apparaissent tardivement et fournissent une preuve irréfutable de l’existence d’une structure quantique à la membrane (ou d’un trou de ver). Image et description de l’image adaptées de Cardoso, Pani – CERN Courier, 2017
Un signal d’ondes gravitationnelles typique d’une fusion de trous noirs ressemble au signal en haut à droite (intitulé « trou noir ») de la figure 1. Pendant la fusion, lorsque la photosphère est traversée, une salve de radiations est émise et une séquence d’impulsions appelée « anneau quasi-normal » est émise, qui est déterminée par les modes caractéristiques des trous noirs. Toutefois, s’il existe une structure quantique ou à l’échelle de Planck à l’horizon des événements d’un trou noir, ou si l’objet est une nouvelle classe d’espaces-temps très courbés comme un trou de ver (figure 2) ou une étoile exotique à la surface compacte, le signal aura d’abord la même apparence que celui d’un trou noir, le signal sera initialement le même, mais il sera suivi par des « échos » de moindre amplitude générés par les ondes gravitationnelles qui « ricochent » entre la photosphère et la surface/l’horizon de l’objet (représentation à gauche dans la figure 1), générant des échos d’ondes gravitationnelles dont le signal ressemblera à celui représenté dans le graphique en bas à droite de la figure 1.
Figure 2. Illustration d’un processus dynamique impliquant un objet compact sans horizon. Une particule ponctuelle plonge radialement (courbe rouge en pointillés) dans un trou de ver spatio-temporel et émerge dans un autre « univers ». La courbe noire représente la gorge du trou de ver, les deux courbes grises sont les anneaux de lumière. Lorsque la particule traverse chacune de ces courbes, elle excite des modes caractéristiques qui sont piégés entre les puits de potentiel des anneaux lumineux. Ce phénomène est illustré graphiquement à la figure 3, qui présente les différentes signatures générées par le signal GW d’un trou noir (avec un horizon) et celui décrit ici pour un trou de ver. Image et description de l’image adaptées de [4].
Le signal de « ringdown quasi-normal » qui suit la coalescence binaire est souvent considéré comme une preuve concluante de la formation d’un horizon des événements après la fusion, mais des formes d’ondes de ringdown universelles peuvent également se former à partir des anneaux lumineux d’un trou de ver, plutôt que des horizons, et seules des observations précises du signal de ringdown tardif peuvent permettre de distinguer les deux scénarios possibles (figure 3). La diffusion des ondes gravitationnelles des trous de ver produira donc des signatures d’écho révélatrices pour la détection et l’identification potentielles des ponts d’Einstein-Rosen qui se forment naturellement [5].
Figure 3. Les signaux d’écho des ondes gravitationnelles permettent de distinguer un objet spatio-temporel massivement incurvé sans horizon (un trou de ver) d’un trou noir classique (avec un horizon des événements lisse). Figure reproduite d’après [4]. Si l’on se réfère à la figure 2, lorsqu’une particule traverse les puits de potentiel de l’anneau lumineux, représentés sur la figure 2 par la ligne pointillée rouge, elle excite des modes caractéristiques qui sont piégés entre chaque courbe (les anneaux gris de la figure 2), ce qui produit le signal représenté graphiquement sur la figure 3 par la courbe rouge, avec un écho caractéristique qui est une signature évidente des modes caractéristiques d’un trou de ver
Première mesure du rayonnement de Hawking stimulé provenant de trous noirs
Une équipe de recherche dirigée par Niayesh Afshordi, professeur d’astrophysique à l’université de Waterloo, a analysé les données de l’une des fusions de trous noirs binaires les plus massives observées à ce jour, appelée GW190521, et a trouvé des preuves convaincantes (mais non concluantes) de l’existence d’un rayonnement de Hawking stimulé [6]. Le rayonnement de Hawking stimulé de l’événement de coalescence GW190521 devrait former des échos gravitationnels après la fusion en raison d’une réflexion partielle sur la structure quantique de Planck de l’horizon. Le rayonnement de Hawking stimulé est une forme d’amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement (LASER), où le rayonnement est de type Unruh-Hawking (voir notre précédent article ISF Analog White Hole-Black Hole Pair Demonstrates How Event Horizons are Tunable Factories of Quantum Entanglement pour en savoir plus sur l’observation et les mesures du rayonnement de Hawking stimulé quantiquement intriqué). Le rayonnement de Hawking stimulé conduisant à l’incandescence du trou noir rend observable le rayonnement de Hawking relativement faible. Cette forme amplifiée du rayonnement de Hawking a été observée dans des systèmes gravitationnels analogiques [7], et l’équipe d’Afshordi rapporte aujourd’hui la première détection de ce rayonnement dans un véritable système de trous noirs, grâce à la détection d’un signal d’écho révélateur dans les données d’ondes gravitationnelles de LIGO/Virgo, ce qui a été qualifié de preuve irréfutable de la microstructure quantique des horizons des trous noirs..
L’analyse statistique des résultats ne permet pas de confirmer sans l’ombre d’un doute que le signal est vrai ou qu’il s’agit d’un artefact extrêmement improbable, de sorte que même si l’équipe dispose d’un intervalle de confiance de plus de 90 % dans le résultat de l’analyse, celle-ci n’est pas concluante. En physique, les preuves indiscutables doivent généralement se situer à ce que l’on appelle le niveau de 5 sigma (≥ 5σ ; 0,00006 % de chances que les données soient une fluctuation), un niveau que l’équipe n’a pas vu dans ses résultats. Ainsi, au niveau du rapport signal/bruit de l’étude, l’équipe maintient que la preuve de la co-localisation des échos et de l’événement principal dans le ciel reste peu concluante.
Si ce résultat est néanmoins très prometteur, la preuve irréfutable d’un rayonnement de Hawking stimulé par des trous noirs quantiques astronomiques nécessitera une plus grande sensibilité des détecteurs d’ondes gravitationnelles. En effet, une équipe de chercheurs de l’Université de Tokyo et de l’Université de Kyoto, Takahiro Tanaka et al, a analysé les données de plusieurs événements de coalescence, y compris l’événement de fusion GW190521, et n’a détecté aucun signal d’écho d’ondes gravitationnelles correspondant qui indiquerait une déviation de la microstructure de l’espace-temps par rapport à un horizon classique [8]. L’équipe indique que bien qu’elle n’ait pas trouvé de signaux d’écho significatifs, le nombre limité d’événements analysés donne encore de grandes zones d’erreur et n’exclut pas de tels signaux. Ainsi, bien que certains des résultats initiaux soient convaincants, ils ne sont pas encore concluants, et des détecteurs d’ondes gravitationnelles à haute sensibilité, comme LISA, pourraient être nécessaires pour vérifier de manière concluante les signaux d’écho d’ondes gravitationnelles..
Trous noirs quantiques
Dans les années 1960, l’éminent physicien John Archibald Wheeler a exprimé le fait que les trous noirs sont dépourvus de toute caractéristique observable au-delà de leur masse totale, de leur spin et de leur charge par l’expression « les trous noirs n’ont pas de cheveux ». C’est ce qu’on appelle le théorème de l’absence de cheveux (il est intéressant de noter que les trois propriétés qui décrivent une particule élémentaire sont sa masse, son spin et sa charge, un peu comme si les particules étaient des micro-trous noirs). La détection d’une structure à l’échelle de Planck à l’horizon des événements indiquerait qu’au niveau quantique, le champ gravitationnel code des informations sur ce qui se trouve à l’intérieur du trou noir, et l’intrication trans-horizon du rayonnement de Hawking signifierait que les informations à l’intérieur du volume du trou noir sont accessibles à l’extérieur de l’horizon. Ce qui signifierait, dans le langage courant de la physique, que les trous noirs ont des cheveux [9]. Ainsi, les échos d’ondes gravitationnelles et les dernières études indiquant la détection du rayonnement de Hawking peuvent potentiellement répondre de manière concluante aux questions sur le paradoxe de la perte d’information et sur le fait que les trous noirs ont ou non des cheveux. Incidemment, Hawking lui-même était arrivé à la conclusion que l’information devait se transmettre à travers l’horizon des événements des trous noirs, ce qui les faisait ressembler davantage à des « trous gris » – ou au Black Whole décrit par Haramein – ce dont nous avons parlé en 2014 dans notre article Stephen Hawking Goes Grey.
Si le rayonnement de Hawking est intriqué dans la zone trans-horizon, comme le suggèrent de nombreuses théories récentes et les preuves empiriques de la gravité analogique, l’état interne des trous noirs (à l’intérieur de l’horizon) n’est pas invariablement inaccessible et les trous noirs ont une « chevelure quantique ». En effet, des études ont établi l’existence d’un cheveu quantique omniprésent dû aux effets gravitationnels [cheveu quantique dû à la gravité].
Au-delà du paradoxe de la perte d’information (dont nous avons discuté l’importance dans des articles précédents comme Un horizon mouvementé), la question de la chevelure du trou noir et de l’architecture quantifiée de l’espace-temps à l’échelle de Planck à l’horizon des événements est directement liée à la compréhension de l’origine de la masse dans l’univers. Dans la solution de la gravité quantique et de la masse holographique de Haramein [10], nous voyons comment la structure de la relation entropie-information entre le volume et la surface d’un trou noir, pavée de résonateurs harmoniques quantiques du vide électromagnétique à l’échelle de Planck (courbant l’espace-temps en régions discrètes liées à la gravitation appelées unités sphériques de Planck), entraîne le tamisage de la densité d’énergie de Planck du vide quantique par rapport à la masse au repos observée. Il est important de noter que la solution holographique s’applique aussi bien aux trous noirs astronomiques qu’aux trous noirs primordiaux microscopiques, ces derniers étant conventionnellement qualifiés de particules. Par conséquent, les dernières mesures des signatures de l’écho des ondes gravitationnelles confirment l’hypothèse d’une structure quantique à l’échelle de Planck à l’horizon des événements, ainsi que du rayonnement de Hawking, dont nous verrons maintenant qu’il a des implications directes à l’échelle des particules.
Le rayonnement de Hawking au niveau des particules
La figure (tirée de l’article Linking Waves to Particles) montre comment, en utilisant les ondes gravitationnelles pour étudier la gravité à champ fort – des régions qui sont normalement cachées des processus électromagnétiques derrière une photosphère -, nous pourrions obtenir des informations sur la physique des particules. Ceci est formulé dans le contexte de la façon dont des particules hypothétiques comme les axions ou les bosons scalaires (voire peut-être les gravitons) peuvent interagir dans l’ergosphère des trous noirs, générant des effets comme les résonances superradiantes (voir notre article Ionisation des atomes des trous noirs pour en savoir plus sur cet effet), qui peuvent potentiellement être détectées dans les signatures d’ondes gravitationnelles. Cependant, les signaux d’ondes gravitationnelles qui révèlent la structure quantique des trous noirs et ce qui n’était auparavant qu’un comportement hypothétique des champs quantiques dans des géométries spatio-temporelles courbes, comme la dernière analyse de l’équipe d’Afshordi qui donne une première preuve observationnelle du rayonnement de Hawking, peuvent vérifier des processus clés à l’œuvre dans la physique des particules où le terme de trous noirs quantiques prend tout son sens parce que les particules du domaine quantique sont des micro trous noirs.
Par conséquent, comme dans des études telles que The Origin of Mass and the Nature of Gravity (L’origine de la masse et la nature de la gravité), de Haramein et al. où, après évaluation de la dynamique des fluctuations du vide dans une géométrie de l’espace-temps fortement incurvée, il est démontré analytiquement comment la masse-énergie du rayonnement de Hawking provenant d’un trou noir à l’échelle du proton génère des propriétés fondamentales telles que la masse au repos du proton, nous constatons que les résultats de ce calcul sont fortement étayés par des données observationnelles. Si bien qu’avec la précision stupéfiante du calcul qui en résulte – avec une équivalence presque exacte entre le rayonnement de type Hawking provenant des fluctuations quantiques du vide près de l’horizon Compton du proton et la masse au repos du proton (figure 4) – il est justifié d’être très confiant dans l’exactitude du modèle. Il ne peut certainement plus être écarté au motif que le rayonnement de Hawking est un mécanisme hypothétique, étant donné qu’il existe un certain nombre d’études empiriques avec des preuves solides, des systèmes gravitationnels analogiques aux électrons accélérateurs susmentionnés [3] en passant par les observations astronomiques (via les ondes gravitationnelles), qui indiquent clairement la réalité de l’effet et font passer la prédiction de Hawking du stade de l’hypothèse à celui de l’effet vérifié (remarque : bien que le mérite de l’effet de thermalisation du vide dans un champ gravitationnel intense revienne à Hawking, le physicien Yakov Zel’dovich a été le premier à découvrir par le calcul que les trous noirs génèrent un rayonnement électromagnétique en raison de l’interaction avec les fluctuations du vide [11]).
Figure 4. Le rayonnement de Hawking d’un proton. L’équation révèle comment l’énergie de masse (ε) de la température de Hawking (Tλ) du trou noir du noyau du proton (au-delà du rayon Compton du proton λp) sur la surface du rayon de charge (rp) du proton (Ap) avec les fluctuations du vide quantique sur le temps caractéristique τp est équivalente à l’énergie de la masse au repos du proton (mp) – suivant l’équivalence bien connue de E = mc2
En appliquant la loi de Stefan-Boltzmann pour le rayonnement du corps noir (le côté gauche de l’équation de la figure 4 reliant l’émission totale d’énergie ε à la température T et à la surface A), la température de Hawking est obtenue à l’horizon Compton (λp). En considérant l’espace entre l’horizon Compton et la surface du rayon de charge (Ap dans la figure 4) rempli de fluctuations du vide agissant comme un superfluide, il y a un processus isotherme (dans lequel la température reste constante) entre les deux surfaces et l’énergie du rayonnement de Hawking est transférée – par un mécanisme de rayonnement de corps noir – de l’horizon Compton du noyau-trou noir au rayon de charge du proton où la température quantique du rayonnement du vide est l’énergie de masse au repos du proton.
Bien que cela puisse déconcerter de nombreuses personnes habituées à considérer la physique des particules et les trous noirs comme deux domaines disparates de l’univers (un obstacle conceptuel majeur pour amener la communauté scientifique à un modèle de physique unifiée) et qui viennent de s’habituer à envisager la possibilité d’effets de champ quantique aux échelles relativistes générales, comme la thermalisation du vide aux horizons des événements (plus généralement, les horizons de Killing, y compris l’horizon de Rindler), l’observation récente du rayonnement Unruh-Hawking par les électrons exige maintenant la prise en compte des influences d’une gravité forte sur les champs quantiques à l’échelle des particules, qui, comme le montrent des études telles que celle de Haramein et al. ne se limitent pas aux accélérations extrêmes, mais à la courbure de l’espace-temps due à la gravité forte, équivalente sur le plan relativiste, de la densité d’énergie du vide quantique. Une physique unifiée exige de comprendre les effets du champ quantique dans l’espace-temps courbé, de l’échelle quantique à l’échelle cosmologique, et le comportement du champ unifié qui en résulte, tel que le rayonnement Unruh-Hawking, est d’une importance cruciale pour comprendre les propriétés fondamentales de l’univers telles que l’origine de la masse et la nature de la gravité.
Références
[1] Hawking SW. 1974. Black hole explosions? Nature 248, 30 ( 10.1038/248030a0)
[2] N. Haramein, C. Guermonprez, and O. Alirol, “The Origin of Mass and the Nature of Gravity,” Sep. 2023, doi: 10.5281/zenodo.8381114.
[3] W. Brown. “Unruh-Hawking Radiation Observed in Accelerating Electrons.” The International Space Federation. 2024. Accessed: Feb. 14, 2024. [Online]. Available: https://www.spacefed.com/blog/unruh-hawking-radiation-observed-in-accelerating-electrons
[4] G. Gregori, G. Marocco, S. Sarkar, R. Bingham, and C. Wang, “Measuring Unruh radiation from accelerated electrons.” arXiv, Apr. 26, 2023. Accessed: Feb. 09, 2024. [Online]. Available: http://arxiv.org/abs/2301.06772
[5] V. Cardoso, E. Franzin, and P. Pani, Is the gravitational wave ringdown a probe of the event horizon?, Phys. Rev. Lett. 116, 171101 (2016). Preprint available on arXiv at: https://arxiv.org/pdf/1602.07309.pdf
[6] A. A. Kirillov, E. P. Savelova, and O. M. Lecian, “Scattering of GWs on wormholes: foreshadow and afterglow/echoes from binary merges.” arXiv, Sep. 27, 2020. Accessed: Feb. 14, 2024. [Online]. Available: http://arxiv.org/abs/2003.13127
[7] J. Abedi, L. F. L. Micchi, and N. Afshordi, “GW190521: Search for Echoes due to Stimulated Hawking Radiation from Black Holes,” Phys. Rev. D, vol. 108, no. 4, p. 044047, Aug. 2023, doi: 10.1103/PhysRevD.108.044047.
[8] J. Steinhauer, “Confirmation of stimulated Hawking radiation, but not of black hole lasing,” Phys. Rev. D, vol. 106, no. 10, p. 102007, Nov. 2022, doi: 10.1103/PhysRevD.106.102007.
[9] N. Uchikata, T. Narikawa, H. Nakano, N. Sago, H. Tagoshi, and T. Tanaka, “Searching for gravitational wave echoes from black hole binary events in the third observing run of LIGO, Virgo, and KAGRA collaborations.” arXiv, Sep. 04, 2023. Accessed: Feb. 14, 2024. [Online]. Available: http://arxiv.org/abs/2309.01894
[10] X. Calmet, R. Casadio, S. D. H. Hsu, and F. Kuipers, “Quantum Hair from Gravity,” Phys. Rev. Lett., vol. 128, no. 11, p. 111301, Mar. 2022, doi: 10.1103/PhysRevLett.128.111301.
[11] Haramein, N. (2012). Quantum Gravity and the Holographic Mass, Physical Review & Research International, ISSN: 2231-1815, Page 270-292
[12] Zel’Dovich, Y.B.: Generation of Waves by a Rotating Body. Soviet Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters 14, 180 (1971)