La prédiction de Stephen Hawking sur les trous noirs prouvée par des scientifiques 50 ans plus tard

Des scientifiques du MIT, aux États-Unis, ont visualisé pour la première fois l’un des théorèmes les plus importants sur les trous noirs.

Cinquante ans plus tard, un groupe de scientifiques a confirmé l’un des théorèmes les plus célèbres du physicien britannique Stephen Hawking.

Il s’agit de la théorie de l’aire des trous noirs, qui soutient que la zone située au-delà de l’horizon des événements, la frontière dont rien ne peut s’échapper, ne diminue jamais.

Des scientifiques du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et d’autres centres de recherche, dirigés par le physicien Maximiliano Isi, ont été les premiers à confirmer cette théorie, fondée sur l’observation des ondes gravitationnelles.

Malgré le fait qu’à l’intérieur d’un trou noir se produisent des processus très extrêmes où les lois physiques que nous croyons universelles ne s’appliquent pas, « il est curieux qu’au niveau microphysique des choses analogues se produisent avec les lois de la thermodynamique ».

Les recherches d’Isi et de ses collègues ont été publiées le 1er juillet dans la revue scientifique Physical Review Letters.

Les trous noirs sont l’un des phénomènes les plus énigmatiques de l’univers : pour qu’ils se forment, il faut d’abord qu’une étoile meure.

De plus, tout ce qui entre, ne parvient jamais à s’échapper, pas même la lumière. Et en son cœur, la soi-disant singularité, le temps et l’espace s’arrêtent.

Bien que jusqu’en 2019, personne n’ait jamais vu un trou noir, la preuve de son existence se trouvait dans les équations de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein.

Quelle est la théorie d’Hawking ?

Stephen Hawking, le célèbre physicien britannique décédé en 2018, a proposé ce théorème en 1971, l’un des plus importants théorèmes sur la mécanique des trous noirs.

Le théorème prédit que la surface totale d’un trou noir au-delà de l’horizon des événements ne devrait jamais diminuer.

Cette proposition est parallèle à la deuxième loi de la thermodynamique, qui stipule que l’entropie, ou le degré de désordre dans l’univers, ne devrait jamais diminuer.

La similitude entre les deux théories laissait penser que les trous noirs pouvaient se comporter comme des objets thermiques qui émettent de la chaleur.

Mais cette proposition était déroutante, car on pensait que la nature même des trous noirs ne permettait pas à l’énergie de s’échapper ou de rayonner.

« Hawking a réussi à coordonner ces idées en 1971, en montrant que les trous noirs ont de l’entropie et émettent des radiations sur des échelles de temps très longues si l’on tient compte de leurs effets quantiques », indique un communiqué du MIT.

Ce phénomène, appelé « rayonnement de Hawking », est l’une des plus importantes révélations sur les trous noirs.

Mais à l’époque, les scientifiques n’étaient pas en mesure de vérifier visuellement cette proposition.

Cinquante ans plus tard, c’est possible.

Qu’est-ce que cela signifie qu’elle a été confirmée ?

Au-delà de la curiosité que suscitent toujours les trous noirs, le plus important pour l’Isi est de « corroborer le parallélisme total de certaines lois des trous noirs avec les lois de la thermodynamique, en l’occurrence la loi de l’entropie ».

« Avec cette étude, nous confirmons avec une certaine précision la prédiction fondamentale de Hawking sur la façon dont les trous noirs devraient fonctionner », déclare Isi.

« Il est très important que ces théories, jusqu’à présent essentiellement abstraites, nous puissions les aborder par le biais d’une analyse observationnelle », ajoute l’expert.

Jusqu’à présent, le théorème de Hawking avait été prouvé mathématiquement, mais il n’avait jamais été visualisé dans la nature.

Comment ont-ils réussi à le confirmer ?

Dans cette étude, l’équipe a soigneusement analysé l’onde gravitationnelle GW150914, capturée par l’observatoire LIGO en septembre 2015.

Ce signal était le produit de deux trous noirs en spirale qui ont généré un nouveau trou noir, concentrant une énorme quantité d’énergie qui a traversé l’espace-temps sous la forme d’ondes gravitationnelles.

Selon le théorème de Hawking, la zone située au-delà de l’horizon de ce trou noir ne peut être inférieure à l’horizon total de ses deux trous noirs d’origine.

« Grâce à des systèmes de détection améliorés, nous avons pu observer l’avant et l’après de cette collision », explique Isi.

Son équipe a mis au point une technique permettant de capter des fréquences spécifiques, ou des tonalités des suites les plus bruyantes, qu’ils ont pu utiliser pour calculer la masse et le spin du trou noir final.

En effet, ils ont confirmé que la superficie n’a pas diminué après la fusion, un résultat que l’équipe rapporte avec 95% de certitude.

« À l’avenir, comme nos observateurs continuent de s’améliorer, nous détecterons de plus en plus de signaux avec une plus grande précision. Avec cela, nous espérons continuer à corroborer ces lois et, peut-être un jour, découvrir quelque chose de complètement nouveau ».