Des physiciens ont démontré pour la première fois en laboratoire qu’il pourrait être possible d’extraire de l’énergie d’un trou noir en rotation rapide, un concept mathématique et physique prédit il y a plus de 50 ans. Cela consisterait à insérer un objet dans l’ergosphère du trou noir, une région où l’espace-temps est entraîné par la rotation du trou noir, de sorte que cet objet serait accéléré puis éjecté, emportant avec lui une énergie supérieure à celle dont il disposait initialement.
Il y a plus de cinquante ans, le physicien et mathématicien anglais Sir Roger Penrose a avancé une hypothèse selon laquelle il pourrait être possible d’extraire de l’énergie d’un trou noir de Kerr, un trou noir en rotation rapide dépourvu de charge électrique et nommé en référence au mathématicien néozélandais Roy Kerr, qui l’a théorisé pour la première fois.
Selon le processus de Penrose, une particule qui pénétrerait dans l’ergosphère d’un trou noir de Kerr se scinderait en deux, un fragment tombant dans le trou noir, tandis que l’autre s’en échapperait en emportant avec lui plus d’énergie que la particule initiale. L’ergosphère est la région située à l’extérieur de l’horizon des événements, où l’espace-temps est entraîné par la rotation du trou noir et où aucun objet ne peut rester immobile par rapport à un observateur lointain.
Plus tard, en 1971, le physicien soviétique Yakov Zeldovich s’est appuyé sur les travaux de Penrose pour prédire qu’une onde interagissant avec un objet en rotation suffisamment rapide pourrait non seulement en extraire de l’énergie, mais aussi l’amplifier. Et pour la première fois, une équipe du Centre de recherche scientifique avancée de l’Université de la Ville de New York (CUNY-ASRC) a démontré expérimentalement le concept (à l’échelle d’un laboratoire), dans une étude publiée récemment dans la revue Nature.
« Notre approche facilite une nouvelle méthode d’interaction onde-matière dans laquelle des ondes aux propriétés rotationnelles sélectionnées extraient de l’énergie d’une rotation synthétique induite dans le temps, produisant une forme d’amplification sélective à large bande », explique le coauteur principal de l’étude, Andrea Alù, professeur de physique au CUNY Graduate Center et directeur fondateur de l’initiative photonique du CUNY ASRC, dans un communiqué.
Une rotation synthétique pour éprouver la théorie
L’étude d’Alù et de ses collègues visait à démontrer s’il était possible d’amplifier l’énergie d’une onde en utilisant un dispositif simulant une rotation extrême. Plutôt que de faire entrer mécaniquement un objet en rotation pour explorer l’hypothèse, les chercheurs ont utilisé un dispositif de radiofréquence dont les caractéristiques changent rapidement dans l’espace et le temps.
Le dispositif comprend un réseau de résonnateurs électroniques en anneau, dont les propriétés peuvent être rapidement modifiées selon une séquence de temps précise de sorte à produire un motif se déplaçant autour de l’anneau. Lorsque le dispositif reste immobile, le déplacement des ondes électromagnétiques crée une forme de mouvement artificiel imitant un objet en rotation à une vitesse ultrarapide. Autrement dit, les ondes électromagnétiques percevraient le système comme s’il tournait à une vitesse extrêmement rapide.
En termes clairs, le système crée l’illusion d’une rotation extrêmement rapide, atteignant une vitesse nettement supérieure à celles des systèmes mécaniques conventionnels. Cette approche remplaçant le mouvement physique par une rotation synthétique aurait permis de surmonter des obstacles qui ont entravé les études expérimentales de la physique des rotations extrêmes pendant des décennies.
« Cette expérience concluante permet de passer de la théorie à la pratique en matière de dynamique rotationnelle extrême et crée une plateforme expérimentale polyvalente pour explorer un large éventail de phénomènes à l’intersection de l’astrophysique, de la physique ondulatoire et de la physique quantique », explique Hadiseh Nasari, auteure principale de l’étude et chercheuse postdoctorale au sein de l’initiative de photonique du CUNY ASRC.
Des perspectives au-delà de la preuve de concept
Pour étayer leur approche, les chercheurs ont entrepris de répondre à la question de savoir si les ondes électromagnétiques interagissant avec un dispositif totalement immobile pourraient se comporter comme si elles rencontraient un objet en rotation à une vitesse ultrarapide et tirer de l’énergie de ce mouvement artificiel.
D’après Hady Moussa, coauteur principal et ancien doctorant de l’initiative de photonique CUNY ASRC, « les ondes présentant les caractéristiques rotationnelles appropriées ont extrait de l’énergie du système et ont été amplifiées, reproduisant ainsi la physique essentielle du processus de Penrose-Zeldovich ».
« Ces travaux ont des implications importantes pour les progrès de la science fondamentale, des communications, de l’optique et de la photonique », ajoute Nasari. Ils pourraient notamment constituer une plateforme expérimentale prometteuse pour l’étude de la physique des systèmes extrêmes. Ils pourraient aussi contribuer au développement de technologies de communication sans fil et quantiques. Les chercheurs précisent toutefois que des travaux supplémentaires seront nécessaires avant que ces perspectives d’application puissent se concrétiser.
