Nouvelle hypothèse pour expliquer l'évaporation des trous noirs

Supposant l'existence de particules hypothétiques de boson plus légères que 10-10 d'électronvolts, les physiciens affirment que si un trou noir, c'est-à-dire un objet qu'aucune matière ne peut quitter (en omettant les effets quantiques), tourne, alors il peut perdre jusqu'à 9% de sa masse. Selon eux, les observatoires gravitationnels modernes sont parfaitement en mesure de le vérifier. Selon le site d'information Lenta.ru.

Les auteurs de l'étude s'appuient sur deux idées fondamentales concernant les trous noirs, apparues dès les années 1970 et largement répandues après les travaux de l'Américain John Wheeler et du Britannique Roger Penrose. «Le trou noir n'a pas de cheveux», avançait Wheeler en 1971. Cela signifie qu'un trou noir, après son apparition, passe dans un état stationnaire descriptible seulement par trois paramètres: la masse, le moment cinétique et la charge.

Selon cette hypothèse, aucun autre paramètre ne permet de décrire un trou noir. Autrement dit, deux trous noirs ayant les mêmes masse, moment cinétique et charge sont fondamentalement indiscernables l'un de l'autre, indépendamment de leur origine. Cette hypothèse a été indirectement confirmée par l'enregistrement en 2015 d'ondes gravitationnelles par l'observatoire LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory).

Les perturbations à l'origine de ces ondes avaient été engendrées par deux trous noirs (29 et 36 fois plus lourds que le Soleil) durant les derniers centièmes de seconde avant leur fusion pour former un objet gravitationnel en rotation plus massif (62 fois plus lourd que le Soleil). En quelques centièmes de seconde environ trois masses solaires se sont transformées en ondes gravitationnelles d'une puissance de rayonnement environ 50 fois supérieure par rapport à tout l'univers visible. Le tout s'est produit il y a 1,3 milliard d'années, soit la durée de la propagation de la perturbation gravitationnelle jusqu'à la Terre.

La seconde hypothèse est celle de la super-radiance. En 1971, Penrose a proposé un mécanisme selon lequel un trou noir pouvait perdre une partie de son énergie et ralentir sa rotation grâce à la dispersion de particules. En particulier, le rayonnement électromagnétique qui se propage aux abords du trou noir pourrait être renforcé par ce dernier. Ce phénomène a été baptisé «super-radiance d'un trou noir» — le physicien Iakov Zeldovitch en parlait déjà sous l'URSS.

Qu'arriverait-il si, sur un trou noir, ne se dissipaient pas les photons, pas les quantas sans masse du champ magnétique se déplaçant à la vitesse de la lumière, mais des bosons légers? Dans ce cas l'amplitude (et l'énergie) du champ de boson concerné augmenterait à tel point que les effets non linéaires deviendraient considérables, avec notamment une influence supplémentaire sur la courbe espace-temps dans les environs de l'objet gravitationnel.

A une échelle temporelle raisonnable — soit quelques années — cela serait possible uniquement pour un boson extrêmement léger. L'échelle doit être si petite que la longueur d'onde de Compton répondant à la particule, inversement proportionnelle à sa masse, doit être comparable au rayon de l'horizon des événements du trou noir — le rayon gravitationnel du corps déterminant les dimensions de l'objet avec une répartition sphériquement symétrique de la matière que les photons ne peuvent quitter.

Par exemple, pour un objet gravitationnel de masse solaire, un tel boson hypothétique doit être 1017 fois plus léger qu'un électron. Des bosons expérimentalement semblables n'ont pas été découverts mais il existe de nombreuses théories admettant leur existence. Des bosons légers peuvent être, par exemple, des particules de matière sombre, notamment des axions hypothétiques.

William East et Frans Pretorius ont simulé la super-radiance d'un trou noir en rotation due à la dispersion de bosons légers. Dans un mode non linéaire, l'objet gravitationnel, indiquent les auteurs, atteindra un état quasi-stable avec un champ de boson recevant jusqu'à 9% de l'énergie-masse du trou noir. Cela signifie que l'objet gravitationnel acquerrait davantage de liberté («cheveux»), alors que le trou noir, dont les limites sont déterminées par l'horizon des événements, se retrouverait placé dans une enveloppe de matière bosonique en rotation avec le trou noir à la même vitesse cinétique.

Comment trouver un tel trou noir avec des «cheveux»? Les calculs ont montré qu'il devait émettre des ondes gravitationnelles selon la fréquence de sa rotation. Un tel signal, estiment les physiciens, pourrait être défini comme signal de fond et être perçu par l'observatoire LIGO et la mission spatiale LISA (Laser Interferometer Space Antenna) prévue pour 2034. La sensibilité des capteurs permet de fixer des bosons d'une masse de 10-11-10-14 électronvolts (dans le cas de LIGO) et de 10-15-10-19 électronvolts (dans le cas de LISA).

Les opinions exprimées dans ce contenu n'engagent que la responsabilité de l'auteur de l'article repris d'un média russe et traduit dans son intégralité en français.