2024-03-21 04:08:41
Un vortex superfluide contrôlé en laboratoire aide les physiciens à en apprendre davantage sur le comportement des trous noirs.
Un tourbillon généré dans de l’hélium refroidi juste une fraction au-dessus du zéro absolu imite l’environnement gravitationnel de ces objets avec une telle précision qu’il donne un aperçu sans précédent de la façon dont ils entraînent et déforment l’espace-temps qui les entoure.
«Comme la viscosité de l’hélium superfluide est extrêmement faible, nous avons pu étudier méticuleusement leur interaction avec la tornade superfluide et comparer les résultats avec nos propres projections théoriques.»
Les trous noirs sont probablement les objets les plus étranges et les plus extrêmes de tout un univers rempli de choses très étranges. Ils sont également notoirement difficiles à étudier. Ils n’émettent aucun rayonnement que nous pouvons détecter ; nous ne pouvons voir que la lumière de l’espace immédiatement autour d’eux. Mais nous disposons de très bonnes études théoriques qui peuvent décrire avec assez de précision leur comportement observé.
Une façon d’en apprendre davantage à leur sujet consiste à créer des analogues de trous noirs. Ce sont des expériences qui peuvent recréer la théorie des trous noirs pour élucider d’autres aspects de leur comportement. Un type d’analogue de trou noir est un vortex ou un tourbillon.
Tout matériau qui s’approche suffisamment d’un trou noir commence à tourbillonner autour de lui, puis à tomber dessus, comme de l’eau tournant et gargouillant dans un égout.
Cette comparaison est si pertinente que les scientifiques ont même construit des vortex aquatiques pour étudier le comportement des trous noirs. Švančara et ses collègues voulaient cependant aller plus loin – avec de l’hélium superfluide.
Il s’agit d’un isotope de l’hélium – l’hélium-4 – qui a été refroidi à -271 degrés Celsius (-456 Fahrenheit), juste au-dessus du zéro absolu. À cette température extrêmement froide, les bosons de l’hélium-4 ralentissent suffisamment pour se chevaucher et se comporter comme un seul superatome – un fluide de viscosité nulle, ou superfluide.
L’expérience de l’équipe, avec un vortex tourbillonnant autour du superfluide hélium. (Léonard Solidoro)
L’équipe a exploité les propriétés quantiques inhabituelles de l’hélium-4 superfluide pour générer une sorte de « tornade quantique ».
«L’hélium superfluide contient de minuscules objets appelés vortex quantiques, qui ont tendance à s’écarter les uns des autres», explique Švančara. «Dans notre configuration, nous avons réussi à confiner des dizaines de milliers de ces quanta dans un objet compact ressemblant à une petite tornade, obtenant ainsi un flux vortex d’une force record dans le domaine des fluides quantiques.»
En étudiant cette tornade, les chercheurs ont pu identifier des similitudes entre le flux vortex et l’influence d’un trou noir en rotation sur l’espace-temps incurvé qui l’entoure. En particulier, les chercheurs ont observé des ondes stationnaires analogues aux états liés aux trous noirs, et des excitations analogues à l’anneau d’un trou noir nouvellement formé.
Et ce n’est qu’un début. Maintenant que les chercheurs ont démontré que leur expérience fonctionne comme prévu, le vortex est sur le point d’ouvrir un nouveau domaine de la science des trous noirs.
«Lorsque nous avons observé pour la première fois des signatures claires de la physique des trous noirs lors de notre première expérience analogique en 2017, cela a été un moment décisif pour comprendre certains des phénomènes bizarres qui sont souvent difficiles, voire impossibles, à étudier autrement», a déclaré la physicienne Silke Weinfurtner. de l’Université de Nottingham.
«Maintenant, grâce à notre expérience plus sophistiquée, nous avons poussé cette recherche à un niveau supérieur, ce qui pourrait éventuellement nous amener à prédire comment les champs quantiques se comportent dans des espaces-temps courbes autour des trous noirs astrophysiques.»
La recherche a été publiée dans Nature.
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