Les trous noirs deviennent de plus en plus étranges chaque jour. Lorsque les scientifiques ont confirmé pour la première fois l’existence des mastodontes dans les années 1970, nous pensions qu’il s’agissait de cadavres inertes très simples. Ensuite, le célèbre physicien Stephen Hawking a découvert que les trous noirs ne sont pas complètement noirs et qu’ils émettent en fait de la chaleur. Et maintenant, quelques physiciens ont réalisé que les objets sombres pesaient également sur leur environnement.
Notre conclusion qu’un tel simple, non périodiquetrous noirs « Avoir la pression et la température est encore plus excitant étant donné que c’était une surprise totale », a déclaré le co-auteur Xavier Calmette, professeur de physique à l’Université du Sussex en Angleterre, dans un communiqué.
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Calmette et son étudiant diplômé Volkert Kuipers ont étudié les effets quantiques à proximité des horizons des événements pour les trous noirs, qui sont extrêmement difficiles à déterminer. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont utilisé une technique pour simplifier leurs calculs. Au cours de leurs travaux, un terme étrange est apparu dans les mathématiques de leur solution. Après des mois de confusion, ils ont réalisé ce que signifiait ce terme nouvellement découvert : c’était l’expression de la pression d’un trou noir. Personne ne savait que cela était possible auparavant, et cela change la façon dont les scientifiques envisagent les trous noirs et leurs relations avec le reste de l’univers.
Moteur Hawking
Dans les années 1970, Hawking est devenu l’un des premiers physiciens à appliquer Mécanique quantique Pour essayer de comprendre ce qui se passe à l’horizon des événements – la région autour d’un trou noir au-delà duquel rien, pas même la lumière, ne peut s’échapper. Avant ce travail, tout le monde avait supposé que les trous noirs étaient des choses simples. selon relativité générale, la théorie gravitationnelle qui a d’abord proposé l’existence des trous noirs, il n’y a absolument rien de remarquable à propos de l’horizon des événements. L’horizon des événements est la « limite » du trou noir, et il définit la région dans laquelle la sortie du noir nécessite un voyage plus rapide que la lumière. Mais c’était juste une ligne imaginaire dans l’espace – si vous la traversiez, vous ne le sauriez même pas, jusqu’à ce que vous essayiez de faire demi-tour et de partir.
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Hawking a tout changé. Il s’est rendu compte que la mousse quantique, qui fait référence à une mer de particules apparaissant constamment dans le vide de l’espace-temps, pourrait affecter cette vue simplifiée de l’horizon des événements. Parfois, des paires de particules apparaissent spontanément de l’espace vide de Temps libre, puis s’annihilent dans un éclair d’énergie, ramenant le vide à son état d’origine. Mais lorsque cela se produit près du trou noir, une paire peut être piégée derrière l’horizon des événements et l’autre s’échapper. Le trou noir s’accroche à la facture énergétique de la particule qui s’échappe et doit donc perdre sa masse.
Ce processus est maintenant connu sous le nom de rayonnement de Hawking, et grâce à ces calculs, nous avons découvert que les trous noirs ne sont pas entièrement, 100% noirs. Ils brillent un peu. Cette lueur, connue sous le nom de « rayonnement du corps noir », signifie qu’ils ont également de la chaleur, de l’entropie (également appelée « turbulence ») et tous les autres termes que nous appliquons habituellement aux choses ordinaires comme les réfrigérateurs et les moteurs de voiture.
Technologie efficace
Hawking s’est concentré sur la façon dont la mécanique quantique affecte l’environnement d’un trou noir. Mais ce n’est pas toute l’histoire. La mécanique quantique n’inclut pas la force la gravité, et une description complète de ce qui se passe à l’horizon des événements proche devrait inclure la gravité quantique, ou une description de la façon dont la forte gravité affecte les très petites échelles.
Depuis les années 1970, de nombreux physiciens ont tenté leur chance en développant la théorie de la gravité quantique et en appliquant ces théories à la physique de l’horizon des événements. La dernière tentative vient de cette nouvelle étude de Calmet et Kuipers, qui a été publiée en septembre dans la revue examen physique d.
« Bien que la pression exercée par le trou noir que nous étudiions soit minime, le fait qu’il existe ouvre de multiples nouvelles possibilités, notamment l’étude de l’astrophysique, de la physique des particules et de la physique quantique. »
Xavier Calmette
« L’intuition historique de Hawking selon laquelle les trous noirs ne sont pas noirs mais ont un spectre de rayonnement très similaire à celui d’un corps noir fait des trous noirs un laboratoire idéal pour étudier l’interaction entre la mécanique quantique, la gravité et la thermodynamique », a déclaré Calmette.
Sans théorie complète de la gravité quantique, le duo a utilisé une technique d’approximation appelée théorie des champs effectifs, ou EFT. Cette théorie suppose que la gravité à un niveau quantique est faible – une hypothèse qui vous permet de progresser dans les calculs sans que tout s’effondre, comme cela se produit lorsque la gravité dans un système quantique est trop forte. Bien que ces calculs ne révèlent pas une image complète de l’horizon des événements, ils peuvent fournir des informations sur et à l’intérieur du trou noir.
Calmette a expliqué: « Si nous considérons les trous noirs uniquement dans le cadre de la relativité générale, on peut montrer qu’ils ont des singularités en leurs centres où les lois de la physique telles que nous les connaissons devraient être perturbées. » « On espère que lorsque la théorie quantique des champs sera intégrée à la relativité générale, nous pourrons peut-être trouver une nouvelle description des trous noirs. »
Voici la pression
Calmet et Kuipers exploraient la thermodynamique des trous noirs en utilisant la transduction électronique à proximité de l’horizon des événements lorsqu’ils ont remarqué un étrange terme mathématique apparaissant dans leurs équations. Au début, le terme les a complètement déconcertés – ils ne savaient pas ce que cela signifiait ni comment l’interpréter. Mais cela a changé lors d’une conversation le jour de Noël 2020.
Ils ont réalisé que le terme dans les équations représente le stress. Une vraie vraie pression. La même pression exercée par l’air chaud à l’intérieur du ballon montant, ou la pression sur un piston à l’intérieur du moteur de votre voiture.
« Le moment où nous avons laissé tomber la goupille lorsque nous avons réalisé que le résultat mystérieux de nos équations nous disait que le trou noir que nous étudiions était sous pression – après des mois de lutte avec lui – était exaltant », se souvient Kuipers.
Cette pression est presque minuscule, elle est inférieure à 10^54 fois la norme Pression sur la terre. Mais c’est là. Ils ont également découvert que la pression peut être positive ou négative, selon le mélange spécifique de particules quantiques à proximité du trou noir. La pression positive est celle qui maintient le ballon gonflé, tandis que la pression négative est la tension que vous ressentez dans un élastique étiré.
Leur résultat élargit l’idée des trous noirs en tant qu’entités thermodynamiques contenant non seulement de la température et de l’entropie, mais aussi de la pression. Étant donné que leurs travaux ne décrivent que la gravité quantique faible et négligent la gravité forte, ils ne peuvent pas expliquer complètement le comportement des trous noirs, mais c’est une étape importante.
« Notre travail est un pas dans cette direction, et bien que la pression exercée par le trou noir que nous étudions soit infime, le fait qu’il existe ouvre de multiples nouvelles possibilités, notamment l’étude de l’astrophysique, de la physique des particules et de la physique quantique », a-t-il ajouté. Calmet conclut.
Publié à l’origine sur Live Science.
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