Une étude, dont les résultats intitulés «Observation of self-amplifying Hawking radiation in an analogue black-hole laser» ont été publiés dans la revue Nature Physics, a permis de mettre en évidence l’équivalent acoustique du rayonnement de Hawking au moyen d'un fluide d’atomes ultrafroids.

C'est en 1974 que «Stephen Hawking a montré qu’un trou noir, astre si massif et compact que même la lumière ne peut s'en échapper» émet tout de même un flux de particules, dénommé «rayonnement de Hawking».

Plus précisément, «un trou noir présente une frontière, nommée horizon des évènements», qui est un point de non-retour de sorte qu'un «objet qui le franchit en tombant vers le centre du trou noir ne peut plus s’échapper, car la vitesse requise pour se libérer du champ gravitationnel serait alors supérieure à celle de la lumière».

Comme «d'après la mécanique quantique, des paires particule-antiparticule apparaissent spontanément dans le vide et s’annihilent après un bref instant sans laisser de trace», à proximité de l’horizon, la paire peut être séparée de sorte que «l'une des particules tombe dans le trou noir tandis que l’autre s’échappe», ce qui fait que le trou noir, qui «semble émettre des particules» perd, de façon infime, de la masse.

Cette découverte théorique, qui se situe «à la frontière entre la théorie quantique des champs et la relativité générale», ne peut cependant pas faire l'objet d'observations astronomiques, car ce rayonnement est «trop faible pour être distingué du rayonnement du fond diffus cosmologique».

Néanmoins, comme il existe «de nombreuses similitudes entre les équations décrivant les trous noirs et celles qui gouvernent les ondes acoustiques dans un fluide», une approche physique alternative peut être développée: celle des «trous noirs acoustiques».

Pour le comprendre, «considérons par exemple une tuyère de fusée, un cylindre dont le diamètre diminue puis augmente à la sortie (une tuyère de Laval)». Un effet Venturi se produit dans le resserrement, c'est-à-dire que «le fluide accélère et atteint des vitesses supersoniques dans la partie évasée».

Les molécules se déplaçant plus vite que des ondes acoustiques dans le milieu, si on envoie des ondes acoustiques à contre-courant dans la partie où le fluide est supersonique, elles sont emportées par le courant et ne peuvent jamais remonter la tuyère jusqu'au bout», ce qui constitue «l'équivalent d’un horizon des événements dans le fluide».

Comme «l'analogie se retrouve jusque dans les équations qui décrivent la lumière autour d’un trou noir et les ondes acoustiques dans le fluide», il a été «supposé que les trous noirs acoustiques émettent aussi un rayonnement de Hawking, c’est-à-dire des ondes acoustiques émises près de l’horizon», sans qu'aucune expérience mise en place jusqu'ici n'ait vraiment réussi à le mettre en évidence.

Dans le cadre de l'étude ici présentée, une solution a été trouvée pour amplifier le signal et rendre le rayonnement de Hawking mesurable.

Dans un premier temps, un ensemble d’atomes de rubidium a été refroidi à quelques nanokelvins «pour former un condensat de Bose-Einstein, un fluide ayant un comportement quantique collectif». Ensuite, grâce à un laser, ce condensat est mis en mouvement pour atteindre une vitesse supersonique.

A ce moment-là, intervient le fait que le système possède en réalité deux horizons, «ce qui est aussi le cas pour certains trous noirs en rotation, dits de Kerr».

En effet, le laser crée, dans le condensat, un puits de potentiel où «les atomes y sont accélérés jusqu'à des vitesses supersoniques» et «les ondes acoustiques formées dans ce puits sont piégées entre les deux bords du puits, qui jouent le rôle d'horizons».

Réfléchies d'un bord à l'autre, ces ondes sont amplifiées, «un peu comme les photons dans un laser» et certaines parviennent «à s'échapper au niveau d'un des horizons, de façon analogue à ce qui se passe avec une paire particule-antiparticule dans un trou noir stellaire». La mesure de ces ondes amplifiées est alors réalisable.

S'il «n’est pas encore possible de vérifier que ces ondes présentent toutes les caractéristiques du rayonnement de Hawking prévues par la théorie», cette piste apparaît prometteuse, car ce type de dispositif pourrait permettre également «d’étudier des analogues acoustiques de l’intrication quantique».