Détection du « rayonnement Hawking » des trous noirs à l’aide des télescopes actuels

En 1974, Stephen Hawking affirmait que les trous noirs devaient non seulement émettre des particules, mais aussi les absorber. Ce soi-disant « rayonnement Hawking » n'a pas encore été observé, mais un groupe de recherche européen a découvert que le rayonnement Hawking devrait être observable par les télescopes existants, capables de détecter des particules de lumière de très haute énergie.

Lorsque deux trous noirs massifs entrent en collision et fusionnent, ou qu’une étoile à neutrons et un trou noir le font, ils émettent des ondes gravitationnelles, des ondulations dans le tissu de l’espace-temps qui se propagent vers l’extérieur. Certaines de ces vagues déferlent sur la Terre des millions ou des milliards d’années plus tard. Ces ondes ont été prédites par Einstein en 1916 et observées pour la première fois directement par les détecteurs LIGO en 2016. Des dizaines d'ondes gravitationnelles provenant de fusions de trous noirs ont été détectées depuis.

Ces fusions émettent également un certain nombre de « morceaux de trous noirs », des trous noirs plus petits avec des masses de l'ordre d'un astéroïde, créés dans le champ gravitationnel extrêmement fort qui en résulte autour de la fusion en raison des effets dits « non linéaires » à haute vitesse en général. relativité. Ces non-linéarités surviennent en raison des solutions intrinsèquement complexes des équations d'Einstein, car l'espace-temps déformé et les masses se renvoient l'un l'autre et tous deux réagissent et créent de nouveaux espace-temps et masses.

Cette complexité génère également des sursauts gamma de photons extrêmement énergétiques. Ces salves ont des caractéristiques similaires, avec un retard à partir de la fusion de l'ordre de leur temps d'évaporation. Un morceau de masse de 20 kilotonnes a une durée de vie d'évaporation de 16 ans, mais ce nombre peut changer radicalement puisque le temps d'évaporation est proportionnel à la masse du morceau au cube.

Des morceaux plus lourds fourniront initialement un signal de sursaut gamma stable, caractérisé par des énergies de particules réduites, proportionnelles à la température de Hawking. La température de Hawking est inversement proportionnelle à la masse d'un trou noir.

L’équipe de recherche a montré, grâce à des calculs numériques utilisant un code public open source appelé BlackHawk qui calcule les spectres d’évaporation de Hawking pour n’importe quelle distribution de trous noirs, que le rayonnement Hawking des morceaux de trous noirs crée des sursauts gamma qui ont une empreinte digitale distinctive. L'ouvrage est publié sur le arXiv serveur de préimpression.

La détection de tels événements, qui ont des signaux multiples (ondes gravitationnelles, rayonnement électromagnétique, émissions de neutrinos) est appelée astronomie multimessager dans la communauté astrophysique et fait partie des programmes d'observation des détecteurs d'ondes gravitationnelles LIGO aux États-Unis, VIRGO en Italie et, en Italie. Japon, le télescope à ondes gravitationnelles KAGRA.

Les signaux visibles provenant de l'évaporation des trous noirs incluent toujours des photons supérieurs à la gamme TeV (un billion d'électrons-volts, environ 0,2 microjoules ; par exemple, le Grand collisionneur de hadrons du CERN en Europe, le plus grand accélérateur de particules de la planète, entre en collision frontale avec des protons avec un total énergie de 13,6 TeV). Cela constitue une « opportunité en or », écrit le groupe, pour les télescopes Cherenkov atmosphériques à haute énergie de détecter ce rayonnement Hawking.

Ces télescopes Tchérenkov sont des antennes paraboliques au sol capables de détecter des photons très énergétiques (rayons gamma) dans la plage d'énergie de 50 GeV (milliards d'électrons-volts) à 50 TeV. Ces antennes y parviennent en détectant les éclairs de rayonnement Tchérenkov produits lorsque les rayons gamma se propagent en cascade à travers l'atmosphère terrestre, se déplaçant plus rapidement que la vitesse ordinaire des ondes lumineuses dans l'air.

Rappelez-vous que la lumière se déplace légèrement plus lentement dans l’air que dans le vide, car l’air a un indice de réfraction légèrement supérieur à un. Le rayonnement gamma de Hawking descendant en cascade dans l’atmosphère dépasse cette valeur plus lente, créant un rayonnement Cerenkov (également appelé rayonnement de freinage – Bremsstrahlung en allemand). La lumière bleue observée dans les flaques d’eau entourant les barres de réaction d’un réacteur nucléaire est un exemple de rayonnement Cerenkov.

Il existe désormais quatre télescopes capables de détecter ces cascades de rayonnement Cerenkov : le système stéréoscopique à haute énergie (HESS) en Namibie, les télescopes Cherenkov d'imagerie gamma atmosphérique majeure (MAGIC) sur l'une des îles Canaries, le premier télescope Cherenkov G-APD ( FACT), également sur l'île de La Palma dans l'archipel des Canaries, et Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) en Arizona. Bien que chacun utilise une technologie différente, ils peuvent tous détecter des photons Cerenkov dans la gamme d’énergie GeV-TeV.

La détection d'un tel rayonnement Hawking permettrait également de faire la lumière (hum…) sur la production de morceaux de trous noirs, ainsi que sur la production de particules à des énergies supérieures à celles pouvant être atteintes sur Terre, et pourrait porter des signes d'une nouvelle physique telle que la supersymétrie, des dimensions supplémentaires ou l'existence de particules composites basées sur la force forte.

“Ce fut une surprise de constater que les morceaux de trous noirs peuvent rayonner au-dessus des capacités de détection des télescopes Cherenkov à haute énergie actuels sur Terre”, a déclaré Giacomo Cacciapaglia, auteur principal de l'Université Lyon Claude Bernard 1 à Lyon, France. Notant que la détection directe du rayonnement Hawking à partir de morceaux de trous noirs serait la première preuve du comportement quantique des trous noirs, il a déclaré que « si le signal proposé est observé, nous devrons remettre en question les connaissances actuelles sur la nature des trous noirs » et production de morceaux.

Cacciapaglia a déclaré qu'ils prévoyaient de contacter des collègues des groupes expérimentaux, puis d'utiliser les données collectées pour rechercher le rayonnement Hawking qu'ils proposent.

© 2024 Réseau Science X