Évaporation des trous noirs

L’évaporation des trous noirs est un processus quantique prédit par Stephen Hawking en 1974. Le rayonnement de Hawking emporterait de l’énergie et diminuerait la masse d’un trou noir suffisamment isolé. Cette émission n’a pas été détectée directement pour un trou noir astrophysique ; une absorption extérieure peut aussi compenser la perte prédite.

Le mécanisme quantique

Le calcul combine la théorie quantique des champs et la géométrie d’un trou noir. Il prédit un spectre thermique pour un observateur éloigné. L’image d’une paire virtuelle dont un membre tombe et l’autre s’échappe est une analogie limitée : elle ne décrit pas des particules observées au bord de l’horizon. L’énergie émise est prélevée sur celle du trou noir.

Une évaporation extrêmement lente

Pour un trou noir sans rotation ni charge, c’est la température de Hawking qui varie comme l’inverse de la masse. Une masse solaire correspond à environ 60 nanokelvins, bien au-dessous du fond diffus cosmologique actuel. Une durée d’évaporation de l’ordre de 10 puissance 67 ans suppose un modèle isolé : elle ne décrit pas une perte nette actuelle garantie malgré le rayonnement et le gaz environnants.

Le problème de l’information

L’évaporation des trous noirs pose un problème fondamental en physique : le paradoxe de l’information. Quand un trou noir s’évapore complètement, qu’advient-il de l’information sur toute la matière qui y est tombée ? En mécanique quantique, l’information ne peut pas être détruite. Ce paradoxe, non encore résolu, est au cœur des recherches sur la gravité quantique et reste l’un des problèmes ouverts les plus profonds de la physique théorique.

Exemple concret

Des expériences sur des systèmes analogues, notamment des condensats de Bose-Einstein, ont étudié une émission analogue au rayonnement de Hawking. Leur horizon est celui des excitations du milieu, pas un horizon gravitationnel astrophysique. Ces résultats testent des aspects du mécanisme dans un autre système ; ils ne détectent pas l’évaporation d’un trou noir céleste.

Questions fréquentes

Un trou noir peut-il vraiment disparaître complètement ?

La description semi-classique prévoit une perte de masse qui s’accélère à mesure que le trou noir devient plus petit. Elle ne suffit pas à établir ce qui se produit au dernier stade, lorsque la gravité quantique est importante. Une disparition complète ou une bouffée finale ne doivent donc pas être présentées comme des faits démontrés.

L’évaporation des trous noirs a-t-elle été observée ?

Pas directement pour un trou noir astrophysique. La température prédite des trous noirs connus est extrêmement basse, alors que de petits trous noirs hypothétiques seraient plus chauds. La recherche de signatures de trous noirs primordiaux constitue une piste, sans preuve qu’une telle population existe.

Qu’est-ce que le paradoxe de l’information des trous noirs ?

Si un trou noir s’évapore en émettant un rayonnement thermique, ce rayonnement ne semble pas contenir d’information sur ce qui est tombé dans le trou noir. Or, la mécanique quantique exige que l’information soit conservée. Ce paradoxe entre relativité générale et mécanique quantique n’est pas encore résolu et motive de nombreuses recherches en physique théorique, notamment sur la structure de l’horizon des événements et la gravité quantique.