La loi de l’aire du trou noir de Stephen Hawking confirmée par l’observation

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Le théorème de Hawking sur l’aire du trou noir, également connu sous le nom de deuxième loi de la mécanique des trous noirs, stipule que l’aire totale de l’horizon d’un trou noir classique ne peut pas diminuer avec le temps. Tle théorème porte le nom du physicien Stephen Hawking, qui l’a proposé en 1971. Une équipe de physiciens américains l’a maintenant confirmé pour la première fois, en utilisant les observations de l’événement d’ondes gravitationnelles GW150914.

Une impression d'artiste d'un trou noir. Crédit image : Sci-News.com.

Une impression d’artiste d’un trou noir. Crédit image : Sci-News.com.

En 1971, Stephen Hawking a proposé le théorème de l’aire du trou noir, qui a déclenché une série de découvertes fondamentales sur la mécanique des trous noirs.

Le théorème prédit que la surface totale de l’horizon des événements d’un trou noir – et de tous les trous noirs de l’Univers, d’ailleurs – ne devrait jamais diminuer. Cette affirmation est un parallèle curieux de la deuxième loi de la thermodynamique, qui stipule que l’entropie, ou le degré de désordre au sein d’un objet, ne doit jamais diminuer.

La similitude entre les deux théories suggérait que les trous noirs pouvaient se comporter comme des objets thermiques, émettant de la chaleur – une proposition déroutante, car les trous noirs, de par leur nature même, étaient censés ne jamais laisser l’énergie s’échapper, ou rayonner.

Hawking a fini par concilier ces deux idées en 1974, en montrant que les trous noirs pouvaient avoir de l’entropie et émettre des radiations sur des échelles de temps très longues si leurs effets quantiques étaient pris en compte. Ce phénomène a été baptisé “rayonnement de Hawking” et reste l’une des révélations les plus fondamentales sur les trous noirs.

“Tout a commencé lorsque Hawking a réalisé que la surface totale de l’horizon des trous noirs ne peut jamais diminuer”, a déclaré Maximiliano Isi, physicien à l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT.

“La loi de la zone résume un âge d’or dans les années 1970 où toutes ces connaissances étaient produites”.

Hawking et d’autres ont depuis montré que le théorème de l’aire fonctionne mathématiquement, mais il n’y avait aucun moyen de le vérifier contre la nature jusqu’à la première détection d’ondes gravitationnelles par LIGO.

En apprenant ce résultat, Hawking a rapidement contacté le professeur Kip Thorne, cofondateur de LIGO. Sa question : La détection pourrait-elle confirmer le théorème de l’aire ?

À l’époque, les chercheurs n’étaient pas en mesure d’extraire les informations nécessaires du signal, avant et après la fusion, pour déterminer si l’aire de l’horizon final ne diminuait pas, comme le supposait le théorème de Hawking.

Dans la nouvelle étude, le Dr Isi et ses collègues ont examiné de plus près GW150914, le premier signal d’onde gravitationnelle détecté par l’observatoire d’ondes gravitationnelles de l’interféromètre laser (LIGO), en 2015.

Le signal était le produit de deux trous noirs inspirateurs qui ont généré un nouveau trou noir, ainsi qu’une énorme quantité d’énergie qui a ondulé à travers l’espace-temps sous forme d’ondes gravitationnelles.

Si le théorème de l’aire de Hawking se vérifie, alors l’aire de l’horizon du nouveau trou noir ne devrait pas être plus petite que l’aire totale de l’horizon de ses trous noirs parents.

Les physiciens ont réanalysé le signal de GW150914 avant et après la collision cosmique et ont constaté qu’en effet, la surface totale de l’horizon des événements n’a pas diminué après la fusion – un résultat qu’ils rapportent avec une confiance de 95%.

Leurs résultats constituent la première confirmation observationnelle directe du théorème de l’aire de Hawking, qui a été prouvé mathématiquement mais jamais observé dans la nature jusqu’à présent.

Les chercheurs prévoient maintenant de tester les futurs signaux d’ondes gravitationnelles pour voir s’ils pourraient confirmer davantage le théorème de Hawking ou être le signe d’une nouvelle physique qui contourne les lois.

“Il est possible qu’il y ait un zoo d’objets compacts différents, et que certains d’entre eux soient des trous noirs qui suivent les lois d’Einstein et de Hawking, d’autres puissent être des bêtes légèrement différentes”, a déclaré le Dr Isi.

“Donc, ce n’est pas comme si vous faisiez ce test une fois et que c’était terminé. Vous le faites une fois, et c’est le début.”

L’article de l’équipe sera publié dans le journal Physical Review Letters.

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