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Les trous noirs pourraient avoir leur propre version exotique de la pression, mais différente de celle que l’on trouve partout ailleurs dans l’univers. Les calculs de l’influence de la mécanique quantique sur la gravité à la périphérie des trous noirs indiquent que ces régions pourraient être soumises à une pression, une découverte totalement inattendue pour les physiciens.

La mécanique quantique et la gravité

La question de savoir comment la mécanique quantique et la gravité s’accordent est l’un des plus grands mystères de la physique moderne, et le bord d’un trou noir est l’une des rares régions où les conditions sont suffisamment extrêmes pour que les effets des deux phénomènes soient simultanément pertinents.

Xavier Calmet et Folkert Kuipers, de l’université du Sussex au Royaume-Uni, ont utilisé un cadre appelé théorie quantique des champs pour explorer ce qui se passe lorsque la mécanique quantique et la gravité se rencontrent au bord d’un trou noir.

Ils ont calculé comment de minuscules fluctuations quantiques créeraient des effets non pris en compte par nos équations standard de la gravité. Ces calculs ont révélé une variable surprenante, qui semble suggérer que les fluctuations des particules quantiques au bord d’un trou noir devraient donner au trou noir une pression.

Le rayonnement de Hawking

« C’était totalement inattendu », déclare M. Calmet. Lorsque les trous noirs ont fait l’objet des premières hypothèses, les physiciens pensaient qu’ils devaient être extrêmement simples. Les travaux ultérieurs du physicien Stephen Hawking et d’autres ont montré qu’ils émettent des particules dans un processus désormais connu sous le nom de rayonnement de Hawking, ce qui signifie qu’ils doivent avoir une température. C’était une surprise en soi. Maintenant, l’ajout de cette pression signifie que les trous noirs sont encore plus compliqués, dit Calmet.

Cependant, les chercheurs n’ont pas encore compris ce que cette pression pouvait signifier sur le plan physique. Le concept habituel de pression implique que les molécules poussent contre un objet et rebondissent sur lui, mais le bord, ou l’horizon des événements, d’un trou noir est presque vide, il n’y a donc pas grand-chose contre quoi pousser.

« La source de la pression ici doit être à 100 % des fluctuations purement quantiques », explique Stephen Hsu de l’université d’État du Michigan. Les fluctuations quantiques créent des particules virtuelles, qui pourraient, en théorie, être à l’origine de cette pression. « Ce n’est pas le type de pression auquel nous sommes habitués », explique-t-il.

Si vous imaginez l’horizon des événements d’un trou noir comme un ballon, la pression ne vient pas de l’intérieur ou de l’extérieur pour rétrécir ou dilater le ballon, elle vient de l’intérieur même du matériau du ballon.

« On peut imaginer l’horizon comme une surface assez particulière, et la pression va donc le pousser vers l’intérieur (si elle est négative) ou vers l’extérieur (si elle est positive), ce qui correspond respectivement à une réduction ou à une augmentation de la masse du trou noir », explique Roberto Casadio de l’université de Bologne, en Italie.

Le rayonnement de Hawking affecte les trous noirs

Les chercheurs ont constaté que la pression était négative, ce qui devrait correspondre à un rétrécissement du trou noir au fil du temps, comme un ballon qui fuit. Ce résultat est cohérent avec d’autres travaux qui suggèrent que les trous noirs se réduisent lorsqu’ils subissent le rayonnement de Hawking. Ces deux phénomènes pourraient être liés, mais pour l’instant, ce n’est pas clair.

Il faudra sans doute beaucoup de temps pour comprendre d’où vient exactement cette pression et quelles en sont les conséquences pour notre compréhension des trous noirs, explique Hsu. Mais comme elle provient de fluctuations quantiques, le fait d’en apprendre davantage à son sujet pourrait constituer un pas en avant vers la compréhension de la gravité quantique.

« Toute nouvelle caractéristique que nous découvrons sur les trous noirs au niveau quantique peut nous donner des indications sur la manière de fusionner la gravité et la mécanique quantique, et sur les caractéristiques que doit avoir cette théorie sous-jacente », explique M. Calmet.

Cette recherche a été publiée dans Physical Review D.

Source : New Scientist
Crédit photo : Pixabay

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