Micro-trou noir

En 1974, Stephen Hawking a affirmé que les effets quantiques provoquent l'évaporation des trous noirs, par l'émission de particules telles que photons, électrons, quarks, gluons, etc.[2] ; ce mécanisme a été nommé "rayonnement de Hawking". Ses calculs de thermodynamique des trous noirs montrent que plus un trou noir émet de la matière (perdant ainsi de la masse), plus sa température augmente, ce qui accroît constamment le taux d'évaporation jusqu'à ce que la masse du trou noir atteigne l'échelle de la masse de Planck. Cela revient à dire que plus un trou noir est petit, plus il disparaît rapidement.

Une fois atteinte l'échelle de la masse de Planck, le trou noir aurait une température de T_P / 8π (5,6 × 10³² K), ce qui signifie qu'une particule émise par rayonnement de Hawking aurait une énergie comparable à la masse du trou noir. À ce stade, le traitement thermodynamique n'est plus approprié, et le trou noir ne peut plus être décrit de façon classique.

Le destin final du trou noir pourrait être l'évaporation totale, ou la formation d'un objet résiduel dont la masse serait proche de la masse de Planck. Si les conjectures concernant les trous noirs quantiques sont correctes, le nombre d'états quantiques possibles au voisinage de la masse de Planck deviendrait tellement réduit que le micro-trou noir ne pourrait pratiquement plus interagir avec son environnement. Il est également possible que ces objets ne puissent pas absorber d'énergie gravitationnelle à cause de larges intervalles entre leurs niveaux d'énergie autorisés ; ils ne pourraient pas non plus émettre de particules par rayonnement de Hawking, pour les mêmes raisons. Les résidus de micro-trous noirs seraient alors des objets stables. Ce pourrait être l'origine des WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), hypothétiques particules très massives et difficilement détectables, dont l'existence a été supposée afin d'expliquer la matière noire.

La production d'un trou noir requiert la concentration de masse ou d'énergie à l'intérieur du rayon de Schwarzschild correspondant. On pense que, peu de temps après le Big Bang, l'Univers était suffisamment dense pour être contenu dans son propre rayon de Schwarzschild. Cependant, la rapidité de son expansion lui aurait alors évité l'effondrement gravitationnel. Ceci n'exclut pas la possibilité que des trous noirs de tailles diverses se soient formés localement. Les trous noirs formés de cette façon sont nommés trous noirs primordiaux. Il s'agit de la théorie la plus largement acceptée pour la formation de micro-trous noirs.

Chaque trou noir primordial de masse suffisamment faible devrait s'évaporer par rayonnement de Hawking jusqu'à atteindre la masse de Planck, durant le temps vie de l'Univers. Ainsi, les trous noirs primordiaux ayant eu une masse initiale d'environ 10¹² kilogrammes seraient actuellement en phase finale d'évaporation[1] (les plus légers ayant déjà terminé de s'évaporer). Dans les circonstances optimales, le télescope spatial Fermi destiné à l'astronomie gamma, qui a été lancé en juin 2008, pourrait détecter des preuves expérimentales de l'existence et de l'évaporation des trous noirs primordiaux, en observant des sursauts gamma associés à leur fin de vie[3] - [4].

Il est peu probable qu'une collision entre un micro-trou noir et un objet comme une étoile ou une planète présente des effets observables. En effet, la taille de ces trous noirs est si réduite qu'ils pourraient passer à travers la matière ordinaire, constituée d'atomes, sans interagir avec plus de quelques-uns de ces atomes[5] - [6] - [7] - [8].

Si la gravité est décrite dans un espace présentant les trois dimensions habituelles, l'énergie minimale requise pour la formation d'un trou noir microscopique est de l'ordre de 10¹⁶ TeV, et doit être concentrée dans un rayon d'environ 10⁻³¹ m : ce qui est largement hors de portée de toute technologie actuelle. On estime que, pour atteindre ces conditions au cours d'une collision de particules, en employant les champs magnétiques que l'on est capable de produire actuellement, il faudrait un accélérateur circulaire de 1000 années-lumière de diamètre afin de pouvoir maintenir les particules sur leur trajectoire.

Cependant, pour certaines théories faisant appel à des dimensions supplémentaires, la masse de Planck peut se trouver réduite à l'échelle du TeV. Le LHC (Large Hadron Collider) est prévu pour atteindre une énergie de 14 TeV. Il a ainsi été avancé que la production de trous noirs quantiques pourrait être un phénomène observable au LHC[9] - [10] - [11] - [12], ou dans de futurs accélérateurs atteignant de plus hautes énergies. De tels trous noirs se désintègreraient en émettant des jets de particules, qui pourraient être captés par les détecteurs de ces dispositifs[9] - [10]. Au bout d'un peu plus d'un an de fonctionnement, les chercheurs travaillant sur CMS au LHC annoncent n'avoir découvert aucune signature d'un micro-trou noir[13].

Les calculs de Stephen Hawking[2], ainsi que des arguments plus généraux basés sur la mécanique quantique, prédisent que les micro-trous noirs créés à l'échelle de Planck s'évaporent presque instantanément. D'autres arguments établissant la sûreté des collisions de particules à haute énergie ont été présentés dans un article de S.B. Giddings and M.L. Mangano[14] (voir aussi M.E. Peskin[15]) : qui montre que, dans des scénarios hypothétiques pour lesquels des micro-trous noirs stables pourraient porter atteinte à la Terre, de tels trous noirs auraient déjà été produits par les rayons cosmiques et provoqué la destruction des objets astronomiques comme la Terre, le Soleil, les étoiles à neutrons ou les naines blanches.