Voir la source de Micro-trou noir

{{voir homonymes| Trou noir (homonymie)}}
Les '''micro-trous noirs''' sont de minuscules [[Trou noir|trous noirs]] hypothétiques, également appelés '''trous noirs quantiques''' ou '''mini-trous noirs''', pour lesquels les effets liés à la [[mécanique quantique]] jouent un rôle important<ref name="carr">B.J. Carr and S.B. Giddings, "Quantum black holes, "[http://www.sciam.com/article.cfm?id=quantum-black-holes Scientific American 292N5 (2005) 30.]</ref>.

Il est possible que de tels trous noirs quantiques aient été créés dans l'environnement très dense de l'[[univers primordial]], ou au cours de transitions de phases ultérieures : on parle dans ce cas de [[Trou noir primordial|trous noirs primordiaux]]. Ils pourraient être détectés prochainement par les astrophysiciens, grâce aux particules qu'ils devraient émettre par [[évaporation des trous noirs|rayonnement de Hawking]].

Certaines théories impliquant des [[dimensions supplémentaires|dimensions d'espace supplémentaires]] prédisent que des micro-trous noirs pourraient être formés à des énergies relativement basses, de l'ordre du [[Électron-volt|TeV]] (téra-électron-volt) : c'est un domaine d'énergie qui sera accessible aux [[Accélérateur de particules|accélérateurs de particules]] tels que le LHC ([[Grand collisionneur de hadrons|Large Hadron Collider]]). La médiatisation de cette possibilité a provoqué des inquiétudes parmi la population. Cependant, les trous noirs quantiques éventuellement produits s'évaporeraient instantanément, soit en totalité, soit en laissant un résidu n’interagissant que très faiblement. En plus des arguments théoriques, on constate que les [[Rayon cosmique|rayons cosmiques]] dont la Terre est bombardée continuellement n'ont produit aucun cataclysme, bien que leur énergie dans le centre de masse puisse atteindre des centaines de [[Électron-volt|TeV]].

== Masse minimale d'un trou noir ==
En principe, un trou noir peut avoir n'importe quelle masse supérieure à la [[masse de Planck]]. Pour produire un trou noir, il suffit de concentrer suffisamment de masse ou d'énergie dans une région donnée, en sorte que la [[vitesse de libération|vitesse d'échappement]] de cette région soit supérieure à la [[vitesse de la lumière]]. Cette condition donne le [[rayon de Schwarzschild]], <math>R = 2GM/c^2</math>, où G est la [[constante gravitationnelle|constante de Newton]]
et c la vitesse de la lumière. Cela correspond à la taille d'un trou noir de masse M.
Par ailleurs, la [[longueur d'onde de Compton]] <math>\lambda = h/Mc </math>,
où h est la [[constante de Planck]],
représente la taille de la plus petite région où l'on puisse localiser une masse M au repos. Pour M suffisamment faible, la longueur d'onde Compton excède le rayon de Schwarzschild, et il est impossible de former un trou noir. La masse minimale d'un trou noir est ainsi du même ordre de grandeur que la [[masse de Planck]], <math>\sqrt{ hc/2\pi G }</math>. Celle-ci vaut environ {{unité|2 e−8|kg}}, soit {{unité|1,2 e16}} [[Électron-volt|TeV]]/[[vitesse de la lumière|c]]<sup>2</sup>.

Certaines extensions de la physique contemporaine supposent l'existence de [[dimensions supplémentaires|dimensions d'espace supplémentaires]].
Dans ces conditions, la force de gravité peut augmenter plus rapidement quand la distance diminue que dans la représentation habituelle d'un espace à trois dimensions. Pour certaines configuration des dimensions supplémentaires, 
cet effet peut réduire la masse de Planck jusqu'à l'échelle du [[Électron-volt|TeV]]. Si les prédictions de ces modèles sont vraies, la production de micro-trous noirs pourrait être un effet important et observable au [[Grand collisionneur de hadrons|LHC]]. Ce serait aussi un phénomène naturel courant provoqué par les [[Rayon cosmique|rayons cosmiques]].

== Stabilité d'un micro-trou noir ==
=== Rayonnement de Hawking ===
{{article détaillé|évaporation des trous noirs}}

En 1974, [[Stephen Hawking]] a affirmé que les effets [[Mécanique quantique|quantiques]] provoquent l'[[évaporation des trous noirs]], par l'émission de particules telles que [[photon]]s, [[électron]]s, [[quark]]s, [[gluon]]s{{etc.}}<ref name="hawking">S.W. Hawking, Commun. Math. Phys. 43 (1975) 199 {{lien brisé|url=http://www.slac.stanford.edu/spires/find/hep/www?key=165336 |titre= }}</ref> ; 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.

=== Conjectures sur l'état final ===
{{voir|Particule de Planck}}

Une fois atteinte l'échelle de la masse de Planck, le trou noir aurait une température de T<sub>P</sub> / 8π (5,6 × 10<sup>32</sup> K), ce qui signifie qu'une particule émise par [[évaporation des trous noirs|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 [[Niveau d'énergie|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|Weakly Interacting Massive Particles]]), 
hypothétiques particules très massives et difficilement détectables, dont l'existence a été supposée afin d'expliquer la [[matière noire]].

== Trous noirs primordiaux ==
{{article détaillé|Trou noir primordial}}
=== Formation dans l'univers primordial ===
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 [[Trou noir primordial|trous noirs primordiaux]]. Il s'agit de la théorie la plus largement acceptée pour la formation de micro-trous noirs.

=== Effets observables attendus ===
Chaque trou noir primordial de masse suffisamment faible devrait s'évaporer par [[évaporation des trous noirs|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 10<sup>12</sup> kilogrammes seraient actuellement en phase finale d'évaporation<ref name="carr" /> (les plus légers ayant déjà terminé de s'évaporer). Dans les circonstances optimales, le [[Fermi Gamma-ray Space Telescope|télescope spatial Fermi]] destiné à l'[[astronomie gamma]], qui a été lancé en {{date-|juin 2008}}, pourrait détecter des preuves expérimentales de l'existence et de l'évaporation des trous noirs primordiaux, en observant des [[sursaut gamma|sursauts gamma]] associés à leur fin de vie<ref>"Primordial black holes as a source of extremely high energy cosmic rays", A. Barrau, Astroparticle Physics Volume 12, Issue 4, January 2000, Pages 269-275; "Satellite could open door on extra dimension", M. McKee, 30 May 2006, New Scientist</ref>{{,}}<ref>[http://fermi.gsfc.nasa.gov/help/tech/minibh.html Fermi Gamma Ray Space Telescope: "Mini" black hole detection]</ref>.

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'[[atome]]s, sans interagir avec plus de quelques-uns de ces atomes<ref>I. B. Khriplovich, A. A. Pomeransky, N. Produit and G. Yu. Ruban, ''Can one detect passage of small black hole through the Earth?'', [https://arxiv.org/abs/0710.3438 preprint]</ref>{{,}}<ref>I. B. Khriplovich, A. A. Pomeransky, N. Produit and G. Yu. Ruban, ''Passage of small black hole through the Earth. Is it detectable?'', [https://arxiv.org/abs/0801.4623 preprint]</ref>{{,}}<ref>Fraser Cain, Are Microscopic Black Holes Buzzing Inside the Earth?, 
[http://www.universetoday.com/2007/06/20/are-microscopic-black-holes-buzzing-inside-the-earth]</ref>{{,}}<ref>. Le rayon de Schwarzschild d'un trou noir de 10<sup>15</sup> grammes est d'environ 148 fm (femtomètres, soit 148 × 10<sup>−15</sup> m), ce qui est beaucoup plus petit qu'un atome, mais plus grand qu'un noyau atomique.</ref>.

== Micro-trous noirs créés par l'Homme ==
=== Peut-on produire des micro-trous noirs ? ===
{{refnec|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 10<sup>16</sup> [[Électron-volt|TeV]], et doit être concentrée dans un rayon d'environ {{Unité|e−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 [[année-lumière|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 [[Électron-volt|TeV]]. Le LHC ([[Grand collisionneur de hadrons|Large Hadron Collider]]) est prévu pour atteindre une énergie de 14 [[Électron-volt|TeV]]. Il a ainsi été avancé que la production de trous noirs quantiques pourrait être un phénomène observable au LHC<ref name="giddings">S.B. Giddings and S.D. Thomas, "High-energy colliders as black hole factories: The End of short distance physics," [https://arxiv.org/abs/hep-ph/0106219 arXiv:hep-ph/0106219], [http://prola.aps.org/abstract/PRD/v65/i5/e056010 Phys. Rev. D65:056010 (2002)].</ref>{{,}}<ref name="dimopoulos">S. Dimopoulos and G.L. Landsberg, "Black holes at the LHC", [https://arxiv.org/abs/hep-ph/0106295 arXiv:hep-ph/0106295], [http://prola.aps.org/abstract/PRL/v87/i16/e161602 Phys. Rev. Lett. 87:161602 (2001)] </ref>{{,}}<ref name="courier">{{Lien web|url=http://cerncourier.com/cws/article/cern/29199|titre=CERN courier - ''The case for mini black holes. Nov 2004''}}</ref>{{,}}<ref>American Institute of Physics Bulletin of Physics News, Number 558, September 26, 2001, by Phillip F. Schewe, Ben Stein, and James Riordon</ref>, 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<ref name="giddings"/>{{,}}<ref name="dimopoulos"/>. Au bout d'un peu plus d'un an de fonctionnement, les chercheurs travaillant sur [[Compact Muon Solenoid|CMS]] au LHC annoncent n'avoir découvert aucune signature d'un micro-trou noir<ref>CMS Collaboration, ''[https://arxiv.org/abs/1012.3375 Search for Microscopic Black Hole Signatures at the Large Hadron Collider]'', arxiv.org, 15 décembre 2010</ref>.

=== Arguments de sûreté ===
Les calculs de [[Stephen Hawking]]<ref name="hawking"/>, 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<ref>S.B. Giddings and M.L. Mangano,  "Astrophysical implications of hypothetical stable TeV-scale black holes," [https://arxiv.org/abs/0806.3381 arXiv:0806.3381], [http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.78.035009 Phys. Rev. D78: 035009, 2008]</ref>
(voir aussi M.E. Peskin<ref>M.E. Peskin, "The end of the world at the Large Hadron Collider?" [http://physics.aps.org/articles/v1/14 Physics 1, 14 (2008)]</ref>) : 
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 [[Rayon cosmique|rayons cosmiques]] et provoqué la destruction des objets astronomiques comme la Terre, le Soleil, les [[étoile à neutrons|étoiles à neutrons]] ou les [[naine blanche|naines blanches]].

== Notes ==
{{Références}}

== Bibliographie ==
* D. Page, [http://prola.aps.org/abstract/PRD/v13/i2/p198_1 Phys. Rev. D13 (1976) 198] : première étude détaillée du mécanisme d'évaporation
* B.J. Carr & S.W. Hawking, [http://adsabs.harvard.edu/cgi-bin/nph-bib_query?bibcode=1974MNRAS.168..399C  Mon. Not. Roy. Astron. Soc 168 (1974) 399] : liens entre trous noirs primordiaux et univers primordial
* A. Barrau et al., [https://arxiv.org/abs/astro-ph/0112486 Astron. Astrophys. 388 (2002) 676] , [https://arxiv.org/abs/astro-ph/0207395 Astron. Astrophys. 398 (2003) 403] , [https://arxiv.org/abs/astro-ph/0505436 Astrophys. J. 630 (2005) 1015] : recherches expérimentales de trous noirs primordiaux grâce à l'émission d'antimatière
* A. Barrau & G. Boudoul, [https://arxiv.org/abs/astro-ph/0212225 Review talk given at the International Conference on Theoretical Physics TH2002] : cosmologie avec trous noirs primordiaux
* A. Barrau & J. Grain, [https://arxiv.org/abs/hep-ph/0311238 Phys. Lett. B 584 (2004) 114] : recherche d'une nouvelle physique ([[gravité quantique]]) à travers les trous noirs primordiaux
* P. Kanti, [https://arxiv.org/abs/hep-ph/0402168 Int. J. Mod. Phys. A19 (2004) 4899] : évaporation des trous noirs et dimensions supplémentaires
* D. Ida, K.-y. Oda & S.C.Park, [https://arxiv.org/abs/hep-th/0602188]: détermination de la vie d'un trou noir et dimensions supplémentaires
* Sabine Hossenfelder: ''What Black Holes Can Teach Us'', [http://www.arxiv.org/abs/hep-ph/0412265 hep-ph/0412265]

{{Palette|Trou noir|Unités de Planck}}
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