UNt la fin d’un couloir indéfinissable au Université de Nottingham est une porte étiquetée simplement : Black Hole Laboratory. À l’intérieur, une expérience est en cours dans une grande baignoire de haute technologie qui pourrait offrir un aperçu unique des lois de la physique qui régissent la réalité.
Le laboratoire est dirigé par le professeur Silke Weinfurtner, une pionnière dans le domaine de la gravité analogique, dont les travaux ont démontré d’étranges parallèles entre les mathématiques décrivant les systèmes fluides sur Terre et certains des environnements les plus extrêmes et inaccessibles de l’univers.
“Il est facile d’être intimidé en pensant aux trous noirs. Tous les effets prédits autour des trous noirs semblent si bizarres, si bizarres, si différents », dit-elle. “Ensuite, il est utile de se rappeler, ‘Attendez une seconde, ça se passe dans ma baignoire. Peut-être que ce n’est pas si étrange après tout.
Auparavant, l’équipe de Weinfurtner a utilisé la configuration de la baignoire pour étudier le rayonnement de Hawking, un processus par lequel les trous noirs sont censés « s’évaporer » et finalement disparaître. Elle et ses collègues travaillent actuellement sur un simulateur plus avancé, qui, selon eux, fournira des informations encore plus sophistiquées sur le comportement des trous noirs.
“Tous ces effets sont extrêmement beaux et d’une importance fondamentale”, dit-elle. “Par exemple, un trou noir s’évapore-t-il ou restera-t-il là pour l’éternité ?”
L’idée de base est que le flux de fluide dans une bonde imite, au sens mathématique, la courbure de l’espace-temps lui-même par le champ gravitationnel extrême d’un trou noir.
« La physique se répète dans de nombreux endroits. C’est un ensemble de modèles mathématiques qui sont très universels. Et si les mathématiques sont les mêmes, la physique devrait être la même », déclare Weinfurtner. « Pour moi, les analogues sont un cadeau de la nature. Il existe toute une classe de systèmes qui possèdent les mêmes processus physiques.
Weinfurtner pense que les parallèles entre les deux situations doivent être exploités pour explorer ce qui se passe lorsque les champs gravitationnels et les champs quantiques interagissent. Cela a sans doute été la quête centrale de la physique au cours du siècle dernier. Les théories gravitationnelles et quantiques fonctionnent bien individuellement – et cela est souvent suffisant pour décrire le monde qui nous entoure car à grande échelle, la gravité a tendance à dominer, tandis qu’à l’échelle atomique, les effets quantiques dominent.
Mais dans les trous noirs, où beaucoup de masse est entassée dans une très petite région de l’espace, ces mondes entrent en collision et il n’y a pas de cadre théorique qui unifie les deux.
“Nous avons une excellente compréhension des deux individuellement, mais il s’avère extrêmement difficile de combiner ces deux théories”, déclare Weinfurtner. “L’idée est que nous voulons comprendre comment se comporte la physique quantique, sur ce que nous appelons une géométrie spatio-temporelle courbe.”
Dans la nouvelle configuration, le trou noir est représenté par un minuscule vortex à l’intérieur d’une cloche d’hélium superfluide, refroidi à -271°C. A cette température, l’hélium commence à démontrer des effets quantiques. Contrairement à l’eau, qui peut tourner à une gamme continue de vitesses, le vortex d’hélium ne peut tourbillonner qu’à certaines valeurs fixes. Les ondulations envoyées à la surface de l’hélium, suivies avec une précision nanométrique par des lasers et une caméra haute résolution, représentent le rayonnement s’approchant d’un trou noir.
Weinfurtner prévoit d’utiliser la configuration pour étudier un phénomène connu sous le nom de superradiance, une prédiction apparemment paradoxale selon laquelle le rayonnement qui se trouve à proximité d’un trou noir (sans s’éloigner de l’horizon des événements) peut être dévié avec plus d’énergie qu’il n’en avait sur le Grâce à ce processus, l’énergie peut être extraite d’un trou noir, ce qui ralentit progressivement sa rotation.
Ce phénomène a été prédit théoriquement, mais jamais observé. Et il est possible, dit Weinfurtner, qu’un trou noir en rotation puisse afficher des effets quantiques similaires à ceux observés dans l’hélium superfluide.
Le simulateur pourrait également être utilisé pour faire des prédictions sur le rayonnement de Hawking et les signaux d’ondes gravitationnelles envoyés à travers l’univers à partir de la fusion de trous noirs qui peuvent être détectés par le détecteur d’ondes gravitationnelles LIGO.
Les expériences de gravité analogiques étaient, jusqu’à récemment, considérées comme un élément marginal de la communauté des physiciens, mais gagnent maintenant en popularité, selon Weinfurtner. Le simulateur de trou noir à l’hélium a été financé par une subvention de 5 millions de livres sterling, partagée entre les équipes de sept grandes institutions britanniques (dont celle de Weinfurtner). Des collaborateurs de l’Université de Cambridge simulent les premiers instants après le big bang.
L’approche a des critiques, qui se demandent si, malgré des parallèles mathématiques remarquables, les systèmes fluides peuvent vraiment fournir des informations fondamentalement nouvelles sur les processus cosmologiques. Weinfurtner est imperturbable, notant que la physique des ondes gravitationnelles avait des détracteurs jusqu’à ce que la détection révolutionnaire soit faite et que son travail a également de la valeur dans le domaine des superfluides.
“Beaucoup de choses ont été controversées dans le passé, ce que nous tenons maintenant pour acquis”, dit-elle.
