L’évaporation des trous noirs


Après la période de disparition des galaxies et des amas, le phénomène le plus marquant dans le futur de l’Univers sera l’évaporation des trous noirs.

La relativité générale décrit les trous noirs comme des corps auxquels rien ne peut échapper, ni la matière, ni la lumière, ce qui implique que leur masse ne peut qu’augmenter avec le temps. Cependant, dans les années 1970, l’astrophysicien britannique Stephen Hawking montra que cette vision n’est pas correcte. Au contraire, un processus quantique qui met en jeu les particules virtuelles peut très bien faire diminuer la masse d’un trou noir.

Stephen Hawking

Stephen Hawking, explorateur des trous noirs et du Big Bang, dans les années 1980. Crédit : NASA/Wikimedia Commons

L’évaporation d’un trou noir

Imaginons qu’un électron virtuel et son antiparticule surgissent du vide et apparaissent à proximité du rayon de Schwartzschild d’un trou noir. Il est tout à fait possible que l’électron plonge très rapidement dans le trou noir et y disparaisse, mais que son antiparticule réussisse à échapper au piège. Dans ce cas, l’antiélectron virtuel, qui aurait rapidement dû s’annihiler avec son compagnon, n’est plus en mesure de la faire. Il va donc errer un certain temps et finir par rencontrer un autre électron virtuel créé dans des circonstances similaires. A ce moment, les deux particules peuvent s’annihilent et donner naissance à des photons.

Le processus précédent conduit, à partir de particules virtuelles nées temporairement d’une fluctuation d’énergie, à des photons bien réels qui possèdent une énergie ordinaire. Ceci peut à première vue sembler contraire aux lois de la physique car de l’énergie est créée à partir de rien. En fait, Stephen Hawking a montré que ce n’est pas le cas. Entre leur création et leur annihilation, les particules virtuelles peuvent entrer dans le monde réel car elles volent un peu d’énergie gravitationnelle au trou noir. Pour ce dernier, le processus se traduit par une légère diminution d’énergie donc de masse, d’où le nom d’évaporation.

La température d’un trou noir

L’évaporation d’un trou noir s’accompagne de l’émission de photons, donc d’un rayonnement électromagnétique. Ce dernier permet de définir la température du trou noir comme pour un corps noir. Par exemple, dans le cas d’un résidu stellaire d’une masse solaire, elle est à environ 60 milliardièmes de degrés du zéro absolu (-273.15 degrés Celsius). Cette température est inversement proportionnelle à la masse du corps et la température des trous noirs supermassifs est donc encore beaucoup plus petite.

La température a une influence majeure sur l’évaporation. En effet, tout comme un corps chaud n’émet de chaleur que placé dans un milieu plus froid, un trou noir ne peut s’évaporer que lorsque la température du milieu environnant est inférieure. Or, même s’ils étaient complètement isolés dans le vide intergalactique, les trous noirs actuels seraient encore baignés par le rayonnement fossile dont la température est de 2,7 degrés au-dessus du zéro absolu. Pour cette raison, aucun trou noir stellaire ou supermassif ne s’évapore à l’heure actuelle.

Ce n’est donc que dans un futur très lointain, lorsque le rayonnement fossile aura perdu la plus grande partie de son énergie, que l’évaporation pourra se mettre en place. On estime ainsi que les trous noirs résidus stellaires commenceront à s’évaporer dans cent milliards de milliards d’années et les trous noirs supermassifs dans un milliards de milliards de milliards de milliards d’années.

L’explosion d’un trou noir

Bien qu’extrêmement lente, l’évaporation d’un trou noir ne dure pas éternellement. Avec le temps, la masse diminue, la température augmente, donc également le taux d’évaporation. Lorsque la masse commence à devenir très faible, la température augmente rapidement et l’évaporation atteint une vitesse foudroyante. Finalement, le processus se termine avec une explosion qui marque la disparition du trou noir.

La durée totale du phénomène d’évaporation dépend de la masse du corps considéré. Plus un trou noir est gros, plus sa température et son taux d’évaporation sont faibles, donc plus sa durée de vie est grande. On estime ainsi que les trous noirs résidus d’étoiles disparaîtront d’ici 1065 ans (le chiffre 1 suivi de 65 zéros), les trous noirs supermassifs dans 1090 ans et les plus massifs dans 10100 ans.


Page mise à jour le 20 août 2017 par Olivier Esslinger