Un article récent de Stephen Hawking a fait sensation, menant même Nature News à déclarer qu'il n'y a pas de trous noirs. Comme je l'ai écrit dans un article précédent, ce n'est pas tout à fait ce que Hawking a prétendu. Mais il est maintenant clair que l’affirmation de Hawking sur les trous noirs est fausse parce que le paradoxe qu’il essaie de résoudre n’est pas un paradoxe après tout.
Tout se résume à ce que l'on appelle le paradoxe du pare-feu pour les trous noirs. La caractéristique centrale d'un trou noir est son horizon d'événements. L'horizon des événements d'un trou noir est fondamentalement le point de non-retour à l'approche d'un trou noir. Dans la théorie de la relativité générale d'Einstein, l'horizon des événements est l'endroit où l'espace et le temps sont tellement déformés par la gravité que vous ne pouvez jamais vous échapper. Traversez l'horizon des événements et vous serez à jamais piégé.
Cette nature à sens unique d'un horizon d'événements a longtemps été un défi pour la compréhension de la physique gravitationnelle. Par exemple, un horizon d'événement de trou noir semblerait violer les lois de la thermodynamique. L'un des principes de la thermodynamique est que rien ne devrait avoir une température de zéro absolu. Même les choses très froides dégagent un peu de chaleur, mais si un trou noir emprisonne la lumière, il ne dégage aucune chaleur. Un trou noir aurait donc une température de zéro, ce qui ne devrait pas être possible.
Puis, en 1974, Stephen Hawking a démontré que les trous noirs rayonnent en raison de la mécanique quantique. Dans la théorie quantique, il y a des limites à ce que l'on peut savoir sur un objet. Par exemple, vous ne pouvez pas connaître l'énergie exacte d'un objet. En raison de cette incertitude, l'énergie d'un système peut fluctuer spontanément, tant que sa moyenne reste constante. Ce que Hawking a démontré, c'est que près de l'horizon des événements d'un trou noir, des paires de particules peuvent apparaître, où une particule est piégée dans l'horizon des événements (réduisant légèrement la masse des trous noirs) tandis que l'autre peut s'échapper sous forme de rayonnement (emportant un peu de la l'énergie du trou noir).
Alors que le rayonnement Hawking a résolu un problème avec les trous noirs, il a créé un autre problème connu sous le nom de paradoxe du pare-feu. Lorsque les particules quantiques apparaissent par paires, elles sont enchevêtrées, ce qui signifie qu'elles sont connectées de manière quantique. Si une particule est capturée par le trou noir et que l'autre s'échappe, alors la nature intriquée de la paire est rompue. En mécanique quantique, nous dirions que la paire de particules apparaît à l'état pur, et l'horizon des événements semble rompre cet état.
L'année dernière, il a été démontré que si le rayonnement Hawking est à l'état pur, il ne peut pas rayonner de la manière requise par la thermodynamique ou créer un pare-feu de particules de haute énergie près de la surface de l'horizon des événements. Ceci est souvent appelé le paradoxe du pare-feu, car selon la relativité générale, si vous vous trouvez à proximité de l'horizon des événements d'un trou noir, vous ne devriez rien remarquer d'inhabituel. L'idée fondamentale de la relativité générale (le principe d'équivalence) exige que si vous tombez librement vers l'horizon des événements, il ne devrait pas y avoir de pare-feu déchaîné de particules de haute énergie. Dans son article, Hawking a proposé une solution à ce paradoxe en proposant que les trous noirs n'aient pas d'horizon des événements. Au lieu de cela, ils ont des horizons apparents qui ne nécessitent pas de pare-feu pour obéir à la thermodynamique. D'où la déclaration «plus de trous noirs» dans la presse populaire.
Mais le paradoxe du pare-feu n'apparaît que si le rayonnement Hawking est à l'état pur, et un article publié le mois dernier par Sabine Hossenfelder montre que le rayonnement Hawking n'est pas à l'état pur. Dans son article, Hossenfelder montre qu'au lieu d'être dû à une paire de particules enchevêtrées, le rayonnement de Hawking est dû à deux paires de particules enchevêtrées. Une paire enchevêtrée est piégée par le trou noir, tandis que l'autre paire enchevêtrée s'échappe. Le processus est similaire à la proposition originale de Hawking, mais les particules de Hawking ne sont pas à l'état pur.
Il n'y a donc pas de paradoxe. Les trous noirs peuvent rayonner d'une manière conforme à la thermodynamique, et la région proche de l'horizon des événements n'a pas de pare-feu, tout comme la relativité générale l'exige. La proposition de Hawking est donc une solution à un problème qui n’existe pas.
Ce que j'ai présenté ici est un aperçu très approximatif de la situation. J'ai passé sous silence certains des aspects les plus subtils. Pour un aperçu plus détaillé (et remarquablement clair), consultez le post d'Ethan Seigel sur son blog Starts With a Bang! Consultez également l'article sur le blog de Sabine Hossenfelder, Back Reaction, où elle parle du problème elle-même.
