On simule en laboratoire sur Terre le comportement de l’espace-temps d’un trou noir dans des systèmes physiques qui ne sont pas eux-mêmes de vrais trous noirs mais qui sont décrits par des équations semblables. On a ainsi pu tester l’existence de l’analogue de l’évaporation des trous noirs par effet Hawking. Mais il s’agissait d'équivalents des trous noirs sans rotation. Les physiciens sont aujourd’hui parvenus à simuler le cas des trous noirs en rotation, ce qui va permettre dans un futur proche de tester là aussi l’analogue de l’effet Hawking
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On espérait pouvoir créer des mini trous noirs au LHC, on avait de bonnes raisons pour cela mais l'Univers en avait visiblement d'autres puisqu'ils n'ont pas été découverts. Ces objets qui sont des clés fondamentales de la physique et de l'astrophysique ne sont donc malheureusement pas à notre portée en laboratoire sur Terre, du moins maintenant semblerait-il, et il n'est pas question d'aller observer directement ce qui se passe autour de ceux qui sont à des milliers voire à des milliards d'années-lumière du Système solaire, à moins qu'il ne s'en trouve un de petite massemasse en orbiteorbite autour du SoleilSoleil.
La théorie des trous noirstrous noirs est une prédiction de la théorie de la relativité généralerelativité générale d'EinsteinEinstein. Les solutions des équationséquations de cette théorie sont difficiles à étudier mathématiquement et à interpréter physiquement, en grande partie parce qu'il s'agit d'équations non linéaires. Mais le grand physicienphysicien John Wheeler a réalisé que le comportement de l'espace-tempsespace-temps pouvait être modélisé par le comportement des fluides eux aussi décrits par des équations non linéaires. Comme la théorie d'Einstein décrit des variations de la géométrie de l'espace-temps, Wheeler a proposé de la concevoir par analogieanalogie avec l'hydrodynamique comme une géométrodynamique. Il existerait notamment des phénomènes quantiques dans l’infiniment petit qui seraient l’analogue de la production d’écume, et des trous noirs en rotation auraient également un comportement semblable à des tourbillonstourbillons dans un fluide.
Des analogues des trous noirs dans des fluides en laboratoire
Plusieurs modèles analogiques de trous noirs ont ainsi été considérés dans des expériences, en particulier parce que l’on peut montrer que l’analogue d’un trou noir dans un fluide doit produire l’équivalent du rayonnement quantique de Hawking pour l’évaporation des trous noirs au niveau des ondes sonores dans un fluide. L'analogie est au niveau des équations mathématiques mais une expérience en laboratoire même limitée à ce genre de système physique permet de tester les calculs mathématiques communs aux pseudos et vrais trous noirs.
On a des raisons de penser que le comportement de l'héliumhélium 4 dans un état superfluidesuperfluide, donc capable de s'écouler sans aucune résistancerésistance, avec une viscositéviscosité nulle quand il est refroidi proche du zéro absoluzéro absolu, est particulièrement proche du comportement de l'espace-temps de la relativité générale en raison de cette viscosité nulle. Il permettrait en particulier de tester des prédictions concernant les trous noirs de Kerrtrous noirs de Kerr, ceux qui sont en rotation, quand ils sont en interaction avec divers champs physiques autour d'eux, les champs électromagnétiquechamps électromagnétique et gravitationnel bien sûr mais potentiellement aussi ceux décrivant les particules de matièrematière ordinaire et même de matière noire comme les axions.
Des tourbillons quantifiés dans l'hélium superfluide
Des chercheurs de l'University of Nottingham (UK), en collaboration avec leurs collègues du King's College London et de la Newcastle University, ont annoncé, via une publication dans le célèbre journal Nature que l'on peut aussi trouver en accès libre sur arXiv qu'il avait réussi justement à produire un analogue réaliste de l'espace-temps autour d'un trou noir de Kerr dans de l'hélium 4 superfluide sous la forme d'un vortexvortex quantique de grande taille. Il le fallait pour pouvoir réaliser des effets détectables des analogues de la physique de trous noirs.
La réalisation d'un vortex quantique de grande taille, même s'il ne fait ici que quelques millimètres de diamètre, est loin d'être évidente. Il fallait pouvoir combiner un grand nombre de vortex quantiques élémentaires qui tendent à ne pas rester ensemble.
Le nom de vortex quantique peut sembler ésotérique mais le concept derrière ce nom n'est pas difficile à comprendre. Il a été introduit en 1949 par le physicien et chimiste norvégien Lars Onsager et développé quelques années plus tard par Richard Feynman.
En physique, on sait que la constante de Planckconstante de Planck a la dimension d'une action mais aussi d'un moment cinétiquemoment cinétique pour un corps en rotation qui se retrouve quantifié sous la forme de valeur entière ou demi-entière de la constante de Planck tout comme il existe des états discrets quantiques d'un électronélectron dans un atomeatome d'hydrogènehydrogène. Dans l'hélium 4 à l'état superfluide, en raison précisément de phénomènes quantiques, les tourbillons dans ce fluide sont aussi dotés d'un moment cinétique quantifié puisqu'il s'agit de collections d'atome en rotation. Un vortex quantique élémentaire n'est donc rien d'autre qu'un tourbillon dans ce fluide avec son moment cinétique quantifié. Les chercheurs britanniques dans leur expérience ont donc réussi à mettre ensemble environ 40 000 de ces vortex quantiques élémentaires.
In fine, les physiciens espèrent tester là aussi le rayonnement Hawking pour des trous noirs en rotation avec leur nouvel analogue de trous noirs. Ils ont déjà observé dans l'hélium l'équivalent des modes quasi normaux des trous noirs.
