Eurêka! Les scientifiques explorent les mystères des trous noirs avec salut

Des chercheurs de l'Université de Nottingham simulent des trous noirs avec un petit vortex à l'intérieur d'une cloche d'hélium superfluide

Au bout d’un couloir quelconque de l’Université de Nottingham se trouve une porte simplement étiquetée : Black Hole Laboratory. À l’intérieur, une expérience est en cours dans une grande baignoire high-tech qui pourrait offrir un aperçu unique des lois de la physique qui régissent la réalité.

Le laboratoire est dirigé par le professeur Silke Weinfurtner, une pionnière dans le domaine de la gravité analogique, dont les travaux ont démontré d'étranges parallèles entre les mathématiques décrivant les systèmes fluides sur Terre et certains des environnements les plus extrêmes et inaccessibles de l'univers.

« Il est facile de se laisser intimider lorsqu’on pense aux trous noirs. Tous les effets prévus autour des trous noirs semblent si bizarres, si étranges, si différents », dit-elle. "Ensuite, il est utile de se rappeler : 'Attendez une seconde, cela se passe dans ma baignoire.' Ce n'est peut-être pas si étrange après tout.'

Auparavant, l'équipe de Weinfurtner avait utilisé la configuration de la baignoire pour étudier le rayonnement de Hawking, un processus par lequel les trous noirs devraient « s'évaporer » et finalement disparaître. Elle et ses collègues travaillent actuellement sur un simulateur plus avancé, qui, selon eux, fournira des informations encore plus sophistiquées sur le comportement des trous noirs.

"Tous ces effets sont extrêmement beaux et d'une importance fondamentale", dit-elle. « Par exemple, un trou noir s’évapore-t-il ou restera-t-il là pour l’éternité ?

L’idée de base est que l’écoulement d’un fluide dans un trou de vidange imite, au sens mathématique, la courbure de l’espace-temps lui-même par le champ gravitationnel extrême d’un trou noir.

« La physique se répète dans de nombreux endroits. Il s'agit d'un ensemble de modèles mathématiques très universels. Et si les mathématiques sont les mêmes, la physique devrait être la même », déclare Weinfurtner. « Pour moi, les analogues sont un cadeau de la nature. Il existe toute une classe de systèmes qui possèdent les mêmes processus physiques.

Weinfurtner estime que les parallèles entre les deux situations devraient être exploités pour explorer ce qui se passe lorsque les champs gravitationnels et les champs quantiques interagissent. C’est sans doute la quête centrale de la physique au cours du siècle dernier. Les théories gravitationnelles et quantiques fonctionnent bien individuellement – ​​et cela suffit souvent pour décrire le monde qui nous entoure car à grande échelle, la gravité a tendance à dominer, tandis qu’à l’échelle atomique, les effets quantiques règnent.

Mais dans les trous noirs, où une grande quantité de masse est entassée dans une très petite région de l’espace, ces mondes entrent en collision et il n’existe aucun cadre théorique qui unifie les deux.

"Nous comprenons parfaitement les deux théories individuellement, mais il s'avère extrêmement difficile de combiner ces deux théories", explique Weinfurtner. « L’idée est que nous voulons comprendre comment se comporte la physique quantique, sur ce que nous appelons une géométrie espace-temps courbe. »

Dans la nouvelle configuration, le trou noir est représenté par un minuscule vortex à l’intérieur d’une cloche d’hélium superfluide, refroidi à -271°C. À cette température, l’hélium commence à manifester des effets quantiques. Contrairement à l’eau, qui peut tourner à une plage continue de vitesses, le vortex d’hélium ne peut tourbillonner qu’à certaines valeurs fixes. Les ondulations envoyées à la surface de l’hélium, suivies avec une précision nanométrique par des lasers et une caméra haute résolution, représentent un rayonnement s’approchant d’un trou noir.

Weinfurtner prévoit d'utiliser cette configuration pour étudier un phénomène connu sous le nom de superradiance, une prédiction apparemment paradoxale selon laquelle le rayonnement qui s'approche d'un trou noir (sans s'éloigner de l'horizon des événements) peut être dévié avec plus d'énergie qu'il n'en avait à l'origine. Grâce à ce processus, l’énergie peut être extraite d’un trou noir, ce qui ralentit progressivement sa rotation.

Ce phénomène a été prédit théoriquement, mais jamais observé. Et il est possible, dit Weinfurtner, qu'un trou noir en rotation puisse afficher des effets quantiques similaires à ceux observés dans l'hélium superfluide.

Le simulateur pourrait également être utilisé pour faire des prédictions sur le rayonnement Hawking et les signaux d’ondes gravitationnelles envoyés à travers l’univers par la fusion de trous noirs qui peuvent être détectés par le détecteur d’ondes gravitationnelles LIGO.