Pour la première fois, le phénomène de rétroaction des trous noirs a été simulé en laboratoire

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| Pixabay

Les trous noirs, ces objets cosmiques intrigants et encore peu compris par les astronomes, détiennent probablement une grande partie des réponses concernant le fonctionnement de l’espace-temps, de la physique quantique en passant par la physique classique… tant de mécanismes qui régissent l’Univers. Actuellement, il existe deux façons d’étudier leur comportement théorique en direct : la simulation informatique ou la reproduction « d’analogues de trous noirs » en laboratoire, en créant des dispositifs interagissant avec leur environnement en laboratoire comme un véritable trou noir le ferait dans le cosmos (du moins en partie).

C’est ce qu’on fait des chercheurs de l’Université de Nottingham en créant un analogue de trou noir avec un réservoir d’eau spécialement conçu, reproduisant artificiellement certains aspects de la physique des trous noirs. Et leur étude est une véritable réussite étant donné que c’est la première à démontrer que l’évolution des trous noirs résultant des champs qui les entourent peut être simulée dans le cadre d’une expérience de laboratoire.

Ainsi, les chercheurs révèlent de nouvelles connaissances sur le comportement de ces objets fascinants, notamment en démontrant comment un phénomène appelé « rétroaction » peut être simulé. Les détails ont été publiés dans la revue Physical Review Letters.

Les chercheurs ont utilisé un simulateur basé sur une sorte de « réservoir » d’eau consistant en un vortex de drainage, comme celui qui se forme lorsqu’on retire le bouchon d’une baignoire. Ce vortex imite en partie le comportement d’un trou noir, car un objet qui s’approche trop près du drain est entraîné vers le trou d’évacuation, incapable de s’en échapper. Ces systèmes sont devenus de plus en plus populaires au cours de la dernière décennie comme moyen de tester les phénomènes gravitationnels dans un environnement de laboratoire contrôlé. En particulier, le rayonnement Hawking a été observé dans une expérience de trou noir analogique impliquant l’optique quantique.

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Une simulation simple, mais efficace

En utilisant cette technique, les chercheurs ont montré pour la première fois que lorsque des ondes sont envoyées dans un tel trou noir de laboratoire, les propriétés de l’objet lui-même peuvent changer de manière significative. Le mécanisme qui sous-tend cet effet cette expérience particulière a une explication remarquablement simple : lorsque les vagues s’approchent du drain, elles poussent effectivement plus d’eau vers la bonde, ce qui entraîne une diminution de la quantité totale d’eau contenue dans le réservoir. Il en résulte une modification de la hauteur du plan d’eau, ce qui, dans la simulation, correspond à un changement des propriétés du trou noir.

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Aperçu du dispositif de l’expérience utilisant un réservoir d’eau pour démontrer le phénomène rétroaction des trous noirs. © University of Nottingham

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« Pendant longtemps, il n’a pas été clair si la rétroaction entraînerait des changements mesurables dans les systèmes analogiques où le flux (de fluide) est entraîné, par exemple, par une pompe à eau. Nous avons démontré que les analogues de trous noirs, comme leurs homologues gravitationnels, sont des systèmes intrinsèquement rétroactifs. Nous avons montré que les ondes qui se déplacent dans une baignoire à vidange poussent l’eau vers la bonde, ce qui modifie considérablement la vitesse de vidange et, par conséquent, l’attraction gravitationnelle effective du trou noir analogue », explique l’auteur principal, le chercheur postdoctoral Dr Sam Patrick de l’école des sciences mathématiques de l’Université de Nottingham.

« Ce qui nous a vraiment frappés, c’est que la rétroaction est suffisamment importante pour faire baisser la hauteur de l’eau dans l’ensemble du système à un point tel que vous pouvez le voir à l’œil nu ! C’était vraiment inattendu. Notre étude ouvre la voie à la recherche expérimentale d’interactions entre les ondes et les espaces-temps qu’elles traversent. Par exemple, ce type d’interaction sera crucial pour étudier l’évaporation des trous noirs en laboratoire ».

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L’équipe de recherche utilisera des simulateurs quantiques pour imiter les conditions extrêmes de l’univers primitif et des trous noirs. Pour cela, l’équipe de Nottingham exploitera un nouveau laboratoire d’État pour mettre en place un nouveau système optomécanique hybride superfluidique pour imiter les processus quantiques des trous noirs en laboratoire.

Source : Physical Review Letters

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