Les lois des trous noirs de Stephen Hawking reçoivent une mise à jour majeure
Des scientifiques ont proposé une nouvelle façon de décrire les trous noirs qui pourrait surmonter une limitation majeure dans l’une des idées les plus influentes de Stephen Hawking. Cette recherche introduit une approche actualisée de la thermodynamique des trous noirs, qui fonctionne même lorsque ces derniers évoluent dans le temps, offrant potentiellement de nouvelles perspectives sur leur formation, leur fusion et leur évaporation progressive.
Les trous noirs figurent parmi les objets les plus extrêmes de l’univers connu. Ils concentrent d’énormes quantités de masse dans une région incroyablement petite, créant une gravité si intense que même la lumière ne peut s’en échapper. Pour comprendre ces objets cosmiques, les physiciens s’appuient sur la théorie de la relativité générale d’Einstein et la mécanique quantique.
Dans les années 1970, Stephen Hawking et d’autres chercheurs ont découvert des connexions surprenantes entre les lois de la thermodynamique, qui décrivent des processus familiers tels que le chauffage de l’eau sur une cuisinière, et le comportement des trous noirs. Abhay Ashtekar, professeur émérite de physique à l’Université Penn State et leader de l’équipe de recherche, explique : « Les lois de la mécanique des trous noirs ont fourni une connexion satisfaisante entre la physique extrême et ordinaire et ont été le paradigme pendant 50 ans, mais elles présentent une limitation sérieuse. »
Les lois de Hawking ont été formulées pour des trous noirs à l’équilibre, mais ces derniers sont en constante évolution, se formant, fusionnant et s’évaporant. Ashtekar et ses collègues ont proposé une nouvelle méthode pour déterminer l’entropie d’un trou noir, une me de désordre qui, selon la deuxième loi de la thermodynamique, ne peut jamais diminuer. Leurs résultats, publiés dans Physical Review Letters, introduisent une me d’entropie plus étroitement liée à la rotation et à l’énergie d’un trou noir.
Le problème avec l’approche de Hawking, comme le souligne Jonathan Shu, étudiant en physique à Penn State, est qu’elle ne fonctionne que lorsque le trou noir est en équilibre. Dans des situations dynamiques, les horizons d’événements peuvent se former et croître dans ce que l’on appelle des régions plates de l’espace-temps, compliquant ainsi la détermination de leurs propriétés. L’équipe de recherche a donc remplacé l’horizon d’événements traditionnel par un « horizon dynamique », défini par les propriétés du trou noir à un moment donné, évitant les complications liées aux événements futurs.
Cette avancée permet d’étendre les premières et deuxièmes lois de la thermodynamique aux trous noirs non à l’équilibre, surmontant ainsi les limitations du paradigme utilisé depuis plus de cinquante ans. Ces lois généralisées pourraient améliorer la compréhension des trous noirs en évaporation et des fusions de trous noirs, comme celles détectées par la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA à l’aide des ondes gravitationnelles.
La recherche a été soutenue par le programme de la chaire Atherton de Penn State et le Collège des sciences Eberly de Penn State.
(Source : Physical Review Letters)
