Un trou noir est un terrain de jeu pour la physique. C'est le lieu d'observer et de tester les idées et concepts les plus bizarres et fondamentaux du domaine de la physique. Cependant, il n'existe aujourd'hui aucun moyen d'observer directement les trous noirs en action; ces formations n'émettent pas de lumière ni de rayons X, qui peuvent être détectés par les télescopes modernes. Heureusement, les physiciens ont trouvé des moyens de simuler les conditions d'un trou noir en laboratoire, et en créant des analogues de trous noirs, ils commencent à résoudre les mystères les plus étonnants de la physique.
Jeff Steinhauer, chercheur au département de physique de l'Institut israélien de technologie, a récemment attiré l'attention de l'ensemble de la communauté physique en annonçant qu'il utilisait un analogue d'un trou noir pour confirmer la théorie de Stephen Hawking, avancée en 1974. Cette théorie affirme que les trous noirs émettent un rayonnement électromagnétique connu sous le nom de rayonnement de Hawking. Hawking a suggéré que ce rayonnement est causé par l'apparition spontanée d'une paire particule-antiparticule à l'horizon des événements, comme s'appelle le point au bord d'un trou noir, au-delà duquel rien, pas même la lumière, ne peut s'échapper. Selon la théorie de Hawking, lorsqu'une des particules traverse l'horizon des événements et est capturée par un trou noir, l'autre est projetée dans l'espace. L'expérience de Steinhower a été la première démonstration de ces fluctuations spontanées,qui confirment les calculs de Hawking.
Les physiciens préviennent que cette expérience ne confirme toujours pas l'existence du rayonnement Hawking dans les trous noirs astronomiques, puisque le trou noir de Steinhauer n'est pas exactement ce que nous pouvons observer dans l'espace. Physiquement, il n'est pas encore possible de créer de puissants champs gravitationnels formant des trous noirs. Au lieu de cela, l'analogue utilise le son pour imiter la capacité d'un trou noir à absorber les ondes lumineuses.
«Cette onde sonore, c'est comme essayer de nager à contre-courant d'une rivière. Mais la rivière coule plus vite que vous nagez », dit Steinhauer. Son équipe a refroidi le nuage d'atomes à un zéro presque absolu, créant le soi-disant condensat de Bose-Einstein. En faisant circuler le gaz plus rapidement que la vitesse du son, les scientifiques ont créé un système que les ondes sonores ne peuvent pas quitter.
Steinhauer a publié ses observations début août dans un article de la revue Nature Physics. Son expérience est importante non seulement parce qu'il a permis d'observer le rayonnement de Hawking. Steinhauer affirme qu'il a observé les particules émises par le trou noir sonique et les particules à l'intérieur "s'emmêler". Cela signifie que deux particules en même temps peuvent être dans plusieurs états physiques, comme un niveau d'énergie, et qu'en connaissant l'état d'une particule, nous pouvons immédiatement connaître l'état de l'autre.
Le concept d'analogue d'un trou noir a été proposé dans les années 1980 par William Unruh, mais il n'a été créé en laboratoire qu'en 2009. Depuis lors, des scientifiques du monde entier créent des analogues d'un trou noir et beaucoup d'entre eux essaient d'observer le rayonnement de Hawking. Bien que Steinhauer ait été le premier chercheur à réussir sur ce front, les systèmes analogiques aident déjà les physiciens à tester les équations et les principes appliqués depuis longtemps à ces systèmes théoriques, mais uniquement sur papier. En fait, le principal espoir des analogues de trous noirs est qu'ils puissent aider les scientifiques à surmonter l'un des plus grands défis de la physique: combiner la gravité avec les principes de la mécanique quantique qui sous-tendent le comportement des particules subatomiques, mais qui ne sont pas encore compatibles avec les lois. la gravité.
Bien que les méthodes utilisées soient très différentes, le principe est le même pour chaque analogue d'un trou noir. Chacun a un point qui, comme l'horizon des événements, ne peut être traversé par aucune onde utilisée à la place de la lumière, car la vitesse requise est trop élevée. Voici quelques-unes des façons dont les scientifiques simulent les trous noirs en laboratoire.
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Verre
En 2010, un groupe de physiciens de l'Université de Milan a fait sensation dans la communauté scientifique, affirmant avoir observé le rayonnement de Hawking d'un analogue de trou noir, créé à l'aide d'impulsions laser haute puissance visant du verre de silice. Bien que l'affirmation des scientifiques ait été remise en question (le physicien William Unruh a déclaré que le rayonnement qu'ils ont remarqué est beaucoup plus intense que le rayonnement calculé de Hawking, et qu'il va dans la mauvaise direction), l'analogue qu'ils ont créé reste une méthode très intéressante pour modéliser l'horizon des événements.
Cette méthode fonctionne comme suit. La première impulsion dirigée vers le verre de quartz est suffisamment forte pour modifier l'indice de réfraction (la vitesse à laquelle la lumière pénètre dans la substance) à l'intérieur du verre. Lorsque la seconde impulsion frappe le verre, en raison de la modification de l'indice de réfraction, elle ralentit jusqu'à un arrêt complet, créant un «horizon» au-delà duquel la lumière ne peut pas pénétrer. Ce type de système est l'opposé d'un trou noir, d'où aucune lumière ne peut s'échapper, et c'est pourquoi il a été appelé un «trou blanc». Mais comme le dit Stephen Hawking, les trous blancs et noirs sont fondamentalement la même chose, ce qui signifie qu'ils doivent présenter les mêmes propriétés quantiques.
Un autre groupe de recherche en 2008 a montré qu'un trou blanc pouvait être créé de la même manière en utilisant la fibre optique. D'autres expériences visent à créer le même horizon d'événements en utilisant du diamant, qui est moins détruit par le rayonnement laser que le silicium.
Polaritons
L'équipe dirigée par Hai Son Nguyen a démontré en 2015 qu'un trou noir sonore peut être créé à l'aide de polaritons - un état étrange de la matière appelé quasi-article. Il se forme lorsque les photons interagissent avec les excitations élémentaires du milieu. Le groupe de Nguyen a créé des polaritons en focalisant un laser haute puissance sur une cavité microscopique d'arséniure de gallium, qui est un bon semi-conducteur. À l'intérieur, les scientifiques ont délibérément créé une petite encoche qui a élargi la cavité en un seul endroit. Lorsque le faisceau laser a frappé cette microcavité, l'émission de polaritons a eu lieu, qui se sont précipités vers le défaut sous la forme d'une encoche. Mais dès que le flux de ces particules excitées a atteint le défaut, sa vitesse a changé. Les particules ont commencé à se déplacer plus vite que la vitesse du son, indiquant qu'il y avait un horizon,au-delà duquel le son ne peut pas aller.
En utilisant cette méthode, l'équipe de Nguyen n'a pas encore détecté le rayonnement de Hawking, mais les scientifiques pensent qu'au cours d'autres expériences, il sera possible de détecter les oscillations causées par des particules quittant le champ en mesurant les changements de densité de leur environnement. D'autres expérimentateurs suggèrent de refroidir les polaritons en un condensat de Bose-Einstein, qui peut ensuite être utilisé pour simuler la formation de trous de ver.
L'eau
Regardez l'eau tourbillonner dans le drain pendant que vous vous douchez. Vous serez surpris de savoir que vous regardez quelque chose comme un trou noir. Dans un laboratoire de l'Université de Nottingham, PhD Silke Weinfurtner simule des trous noirs dans une baignoire, comme elle appelle un réservoir rectangulaire de 2000 litres avec un entonnoir biseauté au centre. L'eau est introduite dans le réservoir par le haut et par le bas, ce qui lui donne un moment cinétique, ce qui crée un vortex dans l'entonnoir. Dans cet analogue aqueux, la lumière remplace les petites ondulations à la surface de l'eau. Imaginez, par exemple, que vous jetez une pierre dans ce ruisseau et que vous regardez les vagues rayonner à partir de lui en cercles. Plus ces ondes se rapprochent du tourbillon, plus il leur est difficile de se propager dans la direction opposée de celui-ci. À un moment donné, ces vagues cessent de se propager,et ce point peut être considéré comme un analogue de l'horizon des événements. Un tel analogue est particulièrement utile pour simuler des phénomènes physiques étranges qui se produisent autour des trous noirs en rotation. Weinfurtner étudie actuellement ce problème.
Elle souligne qu'il ne s'agit pas d'un trou noir au sens quantique; cet analogue apparaît à température ambiante, et seules les manifestations classiques de la mécanique peuvent être observées. "C'est un système sale", dit le chercheur. "Mais nous pouvons le manipuler pour montrer qu'il est résilient au changement. Nous voulons nous assurer que les mêmes phénomènes se produisent dans les systèmes astrophysiques."
