Évaporation du trou noir (effet Hawking)

1996/04/01 Campillo Robles, Jose Miguel - Fisika SailaZientzia eta Teknologia Fakultatea (EHU) Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Astronomia
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Donner une vue classique des trous noirs n'est pas très difficile. Le trou noir est un corps qui ingère toutes les choses qui l'entourent à travers son violent champ gravitationnel, même les plus rapides, comme la lumière. Rien ne sort de lui, ni rayonnement ni rien d'autre. C'est-à-dire, il absorbe tout et n'émet pas. Ainsi, il ingère sans cesse énergie et matière, augmentant de façon ininterrompue. Par conséquent, l'idée de la durabilité découle de l'impossibilité que le trou noir disparaisse.

En ce qui concerne l'invisibilité, en raison de la zone gravitationnelle violente, le trou noir ne peut pas émettre de rayonnement, ce qui rend invisible de l'extérieur. Avant d'avancer, cependant, il convient de nuancer ce qui a été dit. La matière qui attire le trou noir se déplace à une vitesse vertigineuse. Les frottements et les impacts qui se produisent dans ce processus de chute sont très intenses et dans cette situation les atomes ne sont pas capables de maintenir leur structure, devenant plasma. La température du plasma est très élevée et émet principalement des rayons X. En conséquence de ce phénomène, l'environnement du trou noir peut être observé à distance, mais il est clair que ce rayonnement ne correspond pas au trou noir mais à la matière qui l'entoure.

En 1974 cette vue classique du trou noir est cassée, Stephen W. Pour la découverte de Hawking. Pendant cette période, il se consacrait à la recherche des phénomènes quantiques qui se produisent autour des trous noirs microscopiques, et il a proposé l'existence de ces corps qui étaient pensés dans les premiers temps de l'univers. Le résultat des recherches effectuées à cet égard était que le trou noir émet spontanément rayonnement thermique.

Étant si violent le champ gravitationnel autour des trous noirs, comment peut-on émettre? Pour répondre à cette question, nous devons utiliser le principe qui est l'un des piliers de la mécanique quantique, le principe d'incertitude de Heisenberg. Ce principe a été postulé pour la première fois en 1927 et s'applique principalement au monde microscopique. Une de ses formulations nous dit: “Pour des temps relativement petits, il y a une incertitude très élevée en énergie” et mathématiquement elle s’exprime comme:

... t * H

où H= h/2 (h, constante de Planck), déviation d'énergie et t est l'intervalle de temps. En d'autres termes, il n'est pas possible de connaître précisément l'énergie pendant n'importe quel temps et donc, dans le monde microscopique, l'énergie ne peut pas prendre des valeurs concrètes, comme zéro. D'autre part, grâce à la théorie de la relativité spéciale d'Einstein, nous savons que l'énergie et la matière sont deux faces de la même pièce. Par conséquent, toute fluctuation énergétique peut devenir matière. En d'autres termes, des principes de la mécanique quantique est déduit que, en très peu de temps la matière peut émerger de nulle part. Par conséquent, le vide de la Mécanique Quantique n'est pas l'état du manque de champ, de particules et d'énergie, comme c'est le cas dans la Mécanique Classique, mais l'état de moindre énergie. Par conséquent, on peut dire que le vide n'est pas vide.

Dans le vide quantique, les paires de particules anti-particules se forment constamment. Ces couples sont appelés fluctuations du vide et leur demi-vie est très courte. Par exemple, la distance entre la formation et la destruction du couple d'électrons et de positons est entre 10 et ^{21 secondes} et deux mille fois moins longue que la vie du couple de protons et d'antiprotons. Pourquoi y a-t-il des différences de ce type ? Le proton est plus lourd que l'électron, de sorte que l'énergie de fluctuation doit être plus grande pour produire un proton, de sorte que la vie moyenne des particules lourdes sera inférieure.

Comme ces temps sont très réduits, les fluctuations ne peuvent pas être détectées directement. Par conséquent, les particules des fluctuations sont appelées virtuelles. Cependant, la présence de ces particules peut être démontré par des phénomènes dérivés de leur propre influence, comme l'effet Lamb glissement. À cet effet, les niveaux énergétiques de l'atome d'hydrogène subissent un glissement dû à l'influence des paires virtuelles.

Après cela, le lecteur prudent peut penser quelle relation existe entre le rayonnement de tout trou noir et les fluctuations quantiques? Pour essayer de le clarifier, comme l'a fait Hawking, nous devons analyser les fluctuations autour du trou noir lui-même. Quand ils sont créés autour du trou noir, les couples virtuels souffrent d'une forte force gravitationnelle, mais ce processus n'est pas le même dans tous les cas.

La force gravitationnelle varie beaucoup à distance autour du trou noir, de sorte que l'influence sur chacun des composants de ce couple est différente. L'augmentation de cette différence permettra de diviser les parties du couple, ce qui entraînera une rupture de la structure du couple. Dans ces cas, les particules virtuelles deviennent réelles et donc mesurables. Cette situation de vide est appelée polarisation du vide.

Lorsque la structure du partenaire antiparticule des particules est formée à côté de l'orifice noir, quatre processus peuvent se produire (voir figure 2): a) chute et élimination des particules et des antiparticules dans l'orifice noir, b) élimination externe du couple, c) chute de la particule dans l'orifice noir et d), à l'inverse, c'est-à-dire la chute de l'antiparticule et la fuite des particules.

Hawking a étudié ces quatre options et calculé les chances de chacun d'eux. Selon vos tests, le processus le plus probable est le dernier. Cela nous indique que le nombre d'antiparticules tombant dans le trou noir est supérieur à celui des particules. Si nous venons analyser ses conséquences. D'une part, comme les antiparts ont l'énergie négative, l'énergie du trou noir diminue et donc sa masse. Si nous observons ce phénomène de l'extérieur, nous pouvons penser que ces particules qui échappent sont expulsées par le trou noir. Si on analyse l’extérieur, on observe que le trou noir s’évapore et émet des particules.

Simulation du trou noir.

Voilà donc la découverte de Hawking : la vaporisation de trous noirs. Mais il était plus Hawking et a postulé que ce corps correspond à une température. La température corrige le mode d’émission, c’est-à-dire le spectre d’émission est thermique et est identique à celui émis par l’objet sombre à la même température. En outre, le rapport entre la température du trou noir et la masse est inversement proportionnel (voir graphique 1). Ainsi, plus la masse est faible, plus la température du corps est élevée et, si la masse est grande, la température sera basse.

Par exemple, un trou noir microscopique d'un milliard de tonnes aura une température de 10 ¹² K. En augmentant la température, étant donné que l'émission sera plus grande, le trou noir de petite masse rayonnera beaucoup plus que la grande masse, de sorte que vous perdrez votre masse beaucoup plus rapidement. En perdant la masse, la température augmente et le rayonnement augmente. L'accélération du rayonnement est la conséquence de tout cela. Et enfin, que se passera-t-il lorsque la masse du trou noir par émission sera très petite ? Pour y répondre, nous aurions besoin de la Théorie Quantique de la Gravitation, et en n'en disposant pas, il n'est pas facile de répondre. Certaines théories soutiennent que le trou noir disparaîtra par une grande explosion de rayonnement, qui aurait apparemment la puissance de millions de bombes H.

En outre, la température des trous noirs de plus grande masse est négligeable. Le trou noir d'une masse solaire aura une température de 10 ^-7 K, bien inférieure à celle du rayonnement de fond qui forme l'univers (2.7 K), de sorte que le trou noir sera inférieur à celui de l'absorption. Ainsi, jusqu'à ce que la température autour de vous soit inférieure à celle du trou noir, le trou noir gagne de la masse et de l'énergie, l'effet quantique étant négligeable.

Par conséquent, la vaporisation est un effet quantique, il est donc important dans le cas des trous noirs microscopiques. Mais il est appliqué dans tous les trous noirs, à la fois de rotation et de charge électrique. La recherche des trous noirs peut être plus important si l'on considère, comme certains chercheurs croient, qu'il pourrait servir à obtenir la théorie quantique de la gravitation.

Dans l'explication de cet effet confluent trois grands domaines de la physique: Gravitation, Thermodynamique et Mécanique Quantique. Cela nous indique que la somme de la physique est profonde, bien que souvent pas comme ça. Comme le degré de spécialisation des scientifiques est de plus en plus élevé, ces principes sont pratiquement oubliés aujourd'hui. Les récupérons-nous jamais ?