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Le petit effet inattendu des trous noirs

by Lydie Rabe 1 novembre 2020

Depuis leur découverte, les trous noirs n’ont cessé d’inspirer les scientifiques qui continuent de les étudier, et les découvertes à leur sujet n’arrêtent pas d’être publiées. Dernièrement, une équipe de physiciens a suggéré que les trous noirs pourraient bien servir d’accélérateurs de particules très puissants si l’on sait tirer profit de la force gravitationnelle qu’ils exercent. Comme l’indique leur article qui sera prochainement soumis à la revue Physics Review D, il suffit de faire en sorte que toutes les conditions soient réunies afin que les particules qui sont accélérées par la force de gravité ne finissent pas à l’intérieur du trou noir.

Si une particule s’approche d’un trou noir, elle sera accélérée à tel point qu’elle pourra dépasser la vitesse de la lumière après être passée à travers l’horizon des évènements. Mais au-delà de cette limite, il ne sera plus possible pour elle de s’échapper. Ainsi, ce n’est pas le moyen le plus efficace pour obtenir un accélérateur de particules puisqu’il ne sera même pas possible d’étudier la particule en question.

Les scientifiques ont toutefois découvert qu’avec deux ou plusieurs particules et les conditions adéquates, il est possible de comparer le trou noir à un accélérateur de particules.

Le principe de fonctionnement de l’accélérateur

Selon les chercheurs, deux particules approchant d’un trou noir reçoivent une très grande quantité d’énergie, bien plus que ce que l’on peut faire avec les accélérateurs de particules actuels. La vitesse des deux particules augmente de plus en plus à mesure qu’elles se rapprochent de l’horizon des événements, et dans le cas où la combinaison entre la direction et la vitesse d’approche est la bonne, il peut y avoir un effet de ricochet entre les deux. Grâce à cet effet, l’une des particules va plonger droit dans le trou noir tandis que l’autre va survoler l’horizon des événements et repartir dans l’espace.

D’après ce que l’on sait, ce genre d’événement est rare mais pas impossible. Des études ont en effet montré que des particules peuvent entrer en collision avec des énergies arbitraires, mais cela dépend de leur vitesse et de leur distance par rapport à l’horizon des événements. Ce processus serait d’autant plus efficace que le trou noir faisait partie de ceux qui tournent sur eux-mêmes. Ce type de trou noir peut faire tourner l’espace-temps autour de l’horizon, ce qui permet à plus de particules de se rapprocher avant de repartir dans l’espace.

Il y a tout de même un problème par rapport à cette théorie. Ce scénario du trou noir utilisé comme accélérateur a uniquement été étudié avec ce que les scientifiques appellent les trous noirs « extrêmaux ». Ce sont des trous noirs théoriques qui ont la plus petite masse possible et peuvent tourner à une vitesse donnée. Dans la réalité, les trous noirs sont généralement plus massifs et ne peuvent donc pas a priori être considérés comme des accélérateurs de particules.

Les conditions optimales

La nouvelle étude sur les trous noirs semble avoir trouvé la solution par rapport au problème de masse des trous noirs. Les résultats obtenus montrent en effet que les trous noirs réels, incluant ceux qui sont massifs, ceux qui tournent sur eux-mêmes, ainsi que ceux qui sont chargés électriquement, peuvent quand même se comporter comme des accélérateurs de particules.

Il y a une condition pour que le système fonctionne. Il faut que les particules possèdent déjà une vitesse très élevée avant d’être accélérées, ce qui n’est pas une condition facile à satisfaire. Les chercheurs ont toutefois découvert que des collisions à basse vitesse peuvent avoir lieu au niveau de l’horizon des événements.

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Un autre problème est que lorsque les particules s’approchent de trop près de l’horizon pour obtenir l’énergie nécessaire, il est très difficile pour elles de s’échapper. Lorsqu’elles sont finalement libérées dans l’espace, leur vitesse est alors grandement diminuée. Face à cela, les chercheurs ont trouvé une autre parade. Selon eux, les collisions à haute énergie peuvent avoir lieu autour de trous noirs rotatifs, ce qui fait que les particules n’ont pas besoin de trop se rapprocher de l’horizon des événements.