Le rayonnement de Hawking décrit des particules hypothétiques formées par la frontière d’un trou noir. Ce rayonnement implique que les trous noirs ont des températures qui sont inversement proportionnelles à leur masse.

En d’autres termes, plus un trou noir est petit, plus il devrait briller.

Bien qu’il n’ait jamais été directement observé, le rayonnement de Hawking est une prédiction soutenue par les modèles combinés de la relativité générale et de la mécanique quantique. Il porte le nom de l’éminent physicien Stephen Hawking qui, en 1974, a publié un article intitulé Black hole explosions ? arguant de leur existence.

S’il s’avérait être factuel, le rayonnement de Hawking signifierait que les trous noirs peuvent émettre de l’énergie et donc rétrécir en taille, le plus petit de ces objets follement denses explosant rapidement dans une bouffée de chaleur (et le plus grand s’évaporant lentement sur des trillions d’années dans une brise froide).

Pourquoi les trous noirs devraient-ils briller ?

Quand la matière pénètre dans un trou noir, elle est effectivement enfermée loin du reste de l’Univers. Cela supprime également une mesure de désordre ; une caractéristique que les physiciens appellent entropie.

Puisque ce retrait de matière laisse l’Univers moins désordonné, on pensait que cela brisait la deuxième loi de la thermodynamique.

Un étudiant en physique de Princeston aux États-Unis nommé Jacob Bekenstein a fait remarquer que la limite entourant l’espace le plus affecté par la gravité folle d’un trou noir – une « surface » appelée horizon des événements – devrait augmenter de surface chaque fois que la matière y tombe.

Il a montré comment cette surface représente la mesure de l’entropie qui serait autrement perdue, une suggestion qui devrait résoudre le paradoxe.

Hawking n’en était pas si sûr. L’entropie est une autre façon de décrire l’énergie thermique, qui émet nécessairement un rayonnement. Si un horizon des événements a de l’entropie, il devrait briller d’une certaine manière, ce qui signifie que les trous noirs ne seraient pas si noirs après tout.

Dans ses efforts pour réfuter la suggestion apparemment absurde de Bekenstein, Hawking en a discuté avec d’autres physiciens et a tenté de montrer à l’aide de modèles mathématiques que ce n’était pas possible.

Au lieu de cela, il a découvert que les trous noirs semblent vraiment briller d’une lumière froide.

Comment les trous noirs produisent-ils le rayonnement de Hawking ?

Le processus physique derrière l’émission de particules à proximité de l’horizon des événements d’un trou noir est assez complexe, s’appuyant sur une solide compréhension des mathématiques de la théorie quantique des champs.

Il est communément décrit comme le résultat de particules jumelles « virtuelles » qui émergent naturellement du vide et qui sont séparées par la gravité. Habituellement, elles se recombinent et s’annulent, mais dans ce cas, la séparation laisse une moitié de chaque paire s’échapper sous forme de rayonnement réel.

En fait, la propre explication populaire de Hawking sur les mathématiques décrit des particules virtuelles fugaces affectées par une gravité extrême, une moitié de la paire retirant la masse du trou noir grâce à l’extrême gravité fournissant à la particule une énergie négative.

D’autres physiciens estiment que cette description « localisée » de particules se séparant sur une ligne imaginaire est un peu trompeuse.

Bien que nous aurions besoin d’une théorie complète du rôle de la gravité dans la mécanique quantique pour cartographier correctement cette interaction, les conclusions de Hawking montrent comment l’espace incurvé peut bouleverser le mélange de propriétés quantiques dans les champs proches d’un horizon des événements, au point que les trous noirs « dispersent » certaines caractéristiques tout en laissant d’autres intactes. Ce sont ces propriétés intactes qui ressemblent à des températures spécifiques de rayonnement, et qui peuvent provoquer la contraction d’un trou noir.