Les étoiles mortes ne rayonnent pas

• Un article récent affirme que toute matière massive émet un rayonnement de Hawking et que même les étoiles mortes finissent par disparaître
• Une telle affirmation implique une violation de la conservation du nombre baryonique et entre en conflit avec la théorie existante
• Des experts critiquent les méthodes de calcul de cet article comme étant inexactes et soulignent qu’en réalité, le champ gravitationnel d’une masse statique ne crée pas de paires particule-antiparticule
• Il y a plusieurs décennies, Ashtekar et Magnon, entre autres, ont rigoureusement démontré que le vide d’un espace-temps statique est stable
• Malgré la multiplication récente d’articles exagérés fondés sur des reportages erronés, les principes établis de la physique n’ont pas changé

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L’affirmation d’un rayonnement de Hawking pour les étoiles mortes

Dans un article récent, les trois chercheurs Michael F. Wondrak, Walter D. van Suijlekom et Heino Falcke affirment que non seulement les trous noirs, mais aussi toute matière massive émet un rayonnement de Hawking

• Selon eux, même une étoile morte froide subirait ce rayonnement de Hawking, perdrait lentement de la masse et finirait par disparaître
• D’après cette hypothèse, le moment de la fin de l’Univers pourrait survenir bien plus tôt que prévu jusqu’ici

Cette théorie viole la loi de conservation du nombre baryonique établie

• Elle ne fournit aucune explication claire du mécanisme d’annihilation des protons et des neutrons qui composent une étoile
• Les auteurs se contentent d’affirmer que le champ gravitationnel de l’étoile crée des paires particule-antiparticule, ce qui ferait perdre de la masse à l’étoile

Réaction des experts

Si les spécialistes jugeaient cette affirmation valable, il s’agirait d’un événement révolutionnaire dans le domaine de la gravité quantique

• Jusqu’ici, la position dominante était qu’une matière au repos n’émet pas de rayonnement de Hawking
• Si cette théorie était correcte, alors en théorie quantique des champs en espace-temps courbe, la conservation du nombre baryonique ne pourrait qu’être rompue, ce qui provoquerait un choc majeur en physique

Mais en réalité, ces articles n’ont pratiquement eu aucun impact dans la communauté des physiciens

• Des travaux d’Antonio Ferreiro, José Navarro-Salas, Silvia Pla et d’autres ont souligné que les approximations simplifiées utilisées par ces auteurs entraînaient de graves erreurs
• E. T. Akhmedov et d’autres ont formulé des critiques similaires

Les véritables experts savent depuis avant 1975 que le champ gravitationnel d’une masse statique ne provoque pas la création de paires particule-antiparticule

Couverture médiatique et malentendus du public

L’article soumis par Wondrak et ses collègues a bien fait l’objet d’une évaluation, mais pas d’une vérification réelle par des spécialistes du domaine concerné

• Le fait d’être publié dans une revue de physique renommée ne suffit pas à le rendre automatiquement fiable
• Les articles de presse consacrés à cette thèse n’ont pas correctement vérifié les faits et l’ont présentée de manière sensationnaliste

Exemples d’articles représentatifs

• CBS News : « L’Univers disparaîtra bien plus vite que prévu »
• Space.com, Forbes et d’autres médias ont amplifié le sujet, accentuant la confusion du public
• Les fausses informations se diffusent rapidement, ce qui rend difficile la transmission des faits corrects

Cadre théorique rigoureux

En réalité, Ashtekar et Magnon (1975) ont étudié de façon rigoureuse la théorie quantique des champs en espace-temps courbe

• Ils ont démontré que, dans un espace-temps statique où existe partout une « symétrie de l’espace-temps de type temps (timelike Killing field) », l’état du vide est stable
• Dans cette condition, il n’y a pas de génération spontanée de paires particule-antiparticule

Le manuel de Robert Wald traite également ces questions en détail

• Il y explique de manière rigoureuse la définition de la notion d’énergie en espace-temps courbe, la stabilité du vide et les méthodes de distinction entre particules et antiparticules
• La solution de Schwarzschild (c’est-à-dire un trou noir statique) possède elle aussi un Killing field, mais ses propriétés changent à l’horizon des événements, si bien que ce résultat ne s’y applique pas directement

À la suite des travaux d’Ashtekar et Magnon, ainsi que de Wald, l’idée que le champ gravitationnel d’un astre statique n’explique pas les phénomènes de création de particules s’est imposée comme position de référence

Conclusion et situation actuelle

• Il est établi depuis des décennies que le champ gravitationnel statique d’une étoile ou d’une matière ne provoque ni rayonnement de Hawking ni création de paires de particules
• La méthode de calcul approchée proposée dans l’article récent entre en contradiction avec cela, et ses erreurs ont déjà été signalées à plusieurs reprises
• Cette affaire ne nécessite pas de longues discussions, en raison des défauts de la méthode d’approximation
• Il s’agit d’une question déjà tranchée il y a plus de 50 ans, au point qu’il est difficile d’y voir un résultat nouveau
• L’article récent comporte des exagérations et un risque de malentendu faute d’être à la hauteur de la profondeur de la théorie existante

Références

• Abhay Ashtekar, Anne Magnon: Quantum fields in curved space-times (1975)
• Robert Wald: Quantum Field Theory in Curved Spacetime and Black Hole Thermodynamics (1994)
• La thèse de doctorat de Valeria Michelle Carrión Álvarez (2004), entre autres

Il est clairement établi, au terme de plusieurs décennies de recherches théoriques et expérimentales, que les étoiles mortes et les autres astres statiques n’émettent pas de rayonnement de Hawking

[GN⁺]

Avis Hacker News

• Le sentiment qu’il existe encore quelque chose dans l’univers qui nous échappe, et que les grandes théories destinées à durer des milliards d’années ne l’intègrent pas

• Interrogation sur la manière dont le rayonnement de Hawking peut apparaître dans une situation où la vitesse de libération du puits de potentiel gravitationnel n’est pas supérieure à la vitesse de la lumière. Si les deux particules virtuelles de la paire survivent et qu’aucune ne franchit l’horizon des événements, pourquoi disparaîtraient-elles ?

  • Rappel que l’explication du rayonnement de Hawking selon laquelle « une particule de la paire reste piégée dans l’horizon des événements » n’est qu’une analogie simplifiée de la réalité. En pratique, le vrai phénomène est la diffusion de particules (ou de champs) au niveau de l’horizon des événements. Hawking lui-même insistait sur le fait que cette image n’était qu’une métaphore heuristique et ne devait jamais être prise au pied de la lettre
  • Selon un autre avis, cette analogie n’est en réalité qu’un exemple fictif inventé pour expliquer le fonctionnement du rayonnement de Hawking, une métaphore exagérée surtout destinée à satisfaire les journalistes scientifiques

• Question sur une manière simple de comprendre pourquoi les corps célestes massifs n’émettent pas d’ondes gravitationnelles. Puisqu’un observateur accéléré voit un rayonnement thermique via l’effet Unruh, si l’on se tient sur une planète on est accéléré par la gravité : verrait-on alors un rayonnement d’Unruh, et quel lien cela aurait-il avec le rayonnement de Hawking ?

  • Vu du point de vue du grand public, quand on se tient sur une planète on n’est pas réellement en train d’accélérer : c’est le sol qui nous soutient, donc tant qu’on n’est pas en chute libre il n’y a pas d’accélération réelle

• Mention amusée d’avoir écrit un commentaire similaire il y a quelques jours. Le contenu de l’article en question serait absurde, et il faut garder à l’esprit que des serveurs de preprints hébergent parfois des travaux qui ne passeraient pas l’évaluation par les pairs. Les médias devraient faire preuve de prudence à ce sujet

  • Comme l’article est aussi paru dans PRL, plaisanterie sur le fait qu’envoyer soi-même un papier du même genre aurait peut-être aidé sa carrière
  • Indépendamment de savoir si l’article est mauvais ou non, inquiétude face à l’idée, citée dans l’évaluation critique, que « pour un article sur une découverte choc, un journaliste scientifique doit impérativement faire vérifier les faits par un expert ». Avec une telle attitude, dit-on, on aurait aussi fini par croire les experts du passé quand ils diffusaient des idées fausses comme la Terre plate ou le Soleil tournant autour de la Terre

• Selon un avis, le problème mis en lumière par cette controverse n’est pas tant que les auteurs initiaux étaient idiots, mais plutôt que les connaissances restent fragmentées et dispersées selon les disciplines. Si l’objectif est l’avancée du savoir de tous, cet état de cloisonnement n’est pas souhaitable. Cela signalerait un problème interne au monde académique dans les domaines connexes

  • Doute sur le fait que la fragmentation soit à ce point réelle. La condition de « vecteur de Killing global de genre temps » mentionnée dans l’article relève de notions de base en théorie quantique des champs, et comme les auteurs ne sont pas complètement extérieurs au sujet, ils auraient au moins dû l’évoquer. Sans les juger malveillants ni stupides, il semble imprudent d’avoir avancé une conclusion aussi spectaculaire sans consulter suffisamment d’experts
  • En réalité, l’objectif de la recherche est justement de publier les articles de manière aussi large et ouverte que possible, donc on ne serait pas face à une véritable fragmentation du savoir. Mais la plupart des chercheurs ont tendance à garder leurs résultats bien cachés jusqu’à la publication publique en preprint, ce qui fait que personne ne peut leur signaler à temps qu’il existe déjà un problème fatal dans leurs travaux. Au final, il y a des limites humaines : réseautage entre d’innombrables chercheurs, surcharge d’inputs et de retours, etc. On peut sans doute empêcher que ce genre de communiqué promotionnel parte dans la presse sans vérification des faits, mais ce n’est pas le problème de fond
  • Autre aspect : les auteurs d’origine comme les journalistes de vulgarisation ont souvent du mal à voir où se situe l’erreur ou à comprendre pourquoi une affirmation audacieuse ne tient pas. Ce serait un problème chronique, ce qui expliquerait aussi pourquoi le débat n’est toujours pas clos après déjà deux ans
  • Le vrai enjeu tiendrait moins au cloisonnement des expertises qu’au goût du public pour la diffusion et la discussion d’histoires sensationnelles. Les objections des experts gâchent le plaisir, donc on préfère ne pas trop les écouter. Même sur HN, des commentaires réfutant l’article existaient, mais beaucoup les ont ignorés par simple goût du divertissement
  • Le contenu de l’article ne vient pas d’un « savoir fragmenté » puisque tout est publié sur arXiv. Le problème est plutôt qu’il est facile de se tromper dès qu’on sort de son domaine. L’essence même de la science est de soumettre les idées à l’examen de nombreuses personnes, et le fait qu’une conclusion se dégage au terme d’une controverse montre ici que le système a fonctionné. Il manque simplement un mécanisme pour filtrer les nouvelles idées avant qu’elles ne soient emballées sous forme d’articles de presse

• À propos de l’affirmation selon laquelle « ce serait vraiment choquant si la conservation du nombre baryonique était violée », remarque qu’il ne s’agit au contraire que d’une conséquence logique débattue depuis longtemps à propos du rayonnement de Hawking, d’abord perçue comme un choc puis désormais plutôt acceptée comme naturelle. Il peut bien y avoir un problème dans les calculs des auteurs, mais certaines phrases du billet, présentées comme des évidences, diminuent au contraire sa crédibilité. Référence à Wikipédia et à une citation de Daniel Harlow du MIT pour rappeler que la possible incompatibilité entre évaporation des trous noirs et conservation du nombre baryonique est déjà bien connue

  • Plutôt qu’une écriture émotionnelle, il serait plus agréable de lire une critique propre en formules et en logique, comme l’évaluation professionnelle du papier PRL citée par John Carlos Baez. Ce texte explique au niveau expert que les formules de l’article ne sont en réalité pas correctes dans l’approximation de champ faible, et qu’elles ne traitent pas correctement les situations de création de paires électromagnétique ou gravitationnelle
  • Il existe déjà de nombreux articles et manuels liés sur le sujet, et John Baez inspire confiance comme personne compétente. Le cœur de la controverse est que l’affirmation selon laquelle la non-conservation du nombre baryonique serait possible même sans trou noir est réellement frappante
  • Des expériences visant à mesurer une violation de la loi de conservation du nombre baryonique sont déjà tentées sur Terre sans trou noir, et jusqu’à présent rien n’a été détecté, ce qui établit qu’au minimum la demi-vie du proton dépasse 2.4E34 ans. Mention d’un article de Quanta Magazine sur ces expériences et d’une discussion HN associée
  • Mention aussi du fait que, même dans le modèle standard, des phénomènes non perturbatifs de non-conservation du nombre baryonique existent
  • Sur l’incompatibilité entre évaporation des trous noirs et conservation du nombre baryonique, insistance sur le fait qu’il existe en réalité des modèles de trous noirs où ces nombres quantiques sont conservés. Comme le disait Penrose, invoquer de façon répétée des hypothèses non physiques (espace-temps infini, etc.) conduit à de mauvais arguments. La vulgarisation scientifique affirme souvent à la fois que « rien ne se passe à l’horizon des événements d’un trou noir » et que « l’observateur extérieur ne verra jamais la victime tomber dans le trou noir » ; or, logique­ment, deux observateurs dans le même univers ne peuvent pas être en désaccord sur des événements physiques. La seule interprétation cohérente serait alors un modèle où personne ne franchit l’horizon des événements et où tous les nombres quantiques sont conservés. Cela fournirait aussi une interprétation cohérente, du point de vue de tous les observateurs, de phénomènes comme l’accélération de l’évaporation des trous noirs

• Repérage d’un point intéressant dans l’article d’Ashtekar et Magnon de 1975 : l’hypothèse selon laquelle « l’espace-temps possède une structure globalement hyperbolique ». Question de savoir si, aujourd’hui, on ne suppose pas plutôt de façon générale que l’espace-temps est globalement plat

  • « Globalement hyperbolique » désigne la structure causale de l’espace-temps ; voir Wikipédia
  • La courbure de l’espace-temps et la courbure de l’espace sont deux choses distinctes, et même si une tranche tridimensionnelle est plate, l’ensemble de l’espace-temps peut être hyperbolique. La relativité générale ne fixe pas la courbure spatiale globale, et il n’existe jusqu’ici pas de preuve particulière en ce sens

• Partage d’une expérience où l’on a vu des cas proposant un mouvement perpétuel en traitant comme réalité des calculs simplifiés

• Constat que le problème classique comme sa forme actuelle sont désormais compris, mais que la vraie question est maintenant de savoir ce qu’on peut faire. La science ne devrait pas être un terrain de désinformation, mais à l’heure actuelle les mécanismes de défense font défaut. Certains sont payés pour diffuser du faux, alors qu’il n’existe pas de récompense équivalente pour signaler qu’une affirmation est fausse ; vu de l’extérieur, les disputes scientifiques finissent donc par ressembler à des querelles politiques, ce qui risque d’endommager la confiance envers les scientifiques. Problème jugé vraiment sérieux

• Citation d’un enseignement du chercheur renommé Eskil Simonsson : « les étoiles mortes brillent encore »