La tornade quantique ouvre la voie à la compréhension des trous noirs

Dans un laboratoire, des scientifiques ont réussi à recréer un phénomène étonnant qui ouvre une fenêtre sur le comportement des trous noirs et leur interaction avec l’environnement. Cette exploration scientifique, à la croisée de la physique quantique et de l’astrophysique, nous invite à plonger dans les profondeurs d’une recherche aussi fascinante qu’innovante.

La création d’un vortex quantique géant

Des chercheurs de l’Université de Nottingham, en collaboration avec le King’s College de Londres et l’Université de Newcastle, ont mis au point une plateforme expérimentale inédite : un tornado quantique. Ils ont généré un vortex tourbillonnant au sein de l’hélium superfluide, refroidi à des températures extrêmement basses.

L’observation des dynamiques ondulatoires infimes à la surface du superfluide a permis à l’équipe de recherche de démontrer que ces tornados quantiques reproduisent les conditions gravitationnelles à proximité des trous noirs en rotation.

Des observations précises grâce à l’hélium superfluide

Le Dr Patrik Svancara, auteur principal de l’étude et membre de l’École des Sciences Mathématiques de l’Université de Nottingham, précise : « L’utilisation de l’hélium superfluide nous a permis d’étudier les petites ondes de surface avec une plus grande précision et exactitude que nos expériences précédentes avec de l’eau. La viscosité extrêmement faible de l’hélium superfluide nous a permis d’examiner minutieusement leur interaction avec le tornado superfluide et de comparer les résultats avec nos projections théoriques. »

Un système cryogénique sur mesure

Les scientifiques ont construit un système cryogénique sur mesure capable de contenir plusieurs litres d’hélium superfluide à des températures inférieures à -271 °C. À cette température, l’hélium liquide acquiert des propriétés quantiques inhabituelles. Ces propriétés empêchent généralement la formation de grands vortex dans d’autres fluides quantiques, comme les gaz atomiques ultrafroids ou les fluides quantiques de lumière. Ce système démontre comment l’interface de l’hélium superfluide agit comme une force stabilisatrice pour ces objets.

Des parallèles avec la gravitation des trous noirs

Le Dr Svancara ajoute : « L’hélium superfluide contient de petits objets appelés vortex quantiques, qui ont tendance à s’éloigner les uns des autres. Dans notre dispositif, nous avons réussi à confiner des dizaines de milliers de ces quanta dans un objet compact ressemblant à une petite tornade, créant un écoulement vortex d’une force sans précédent dans le domaine des fluides quantiques. »

Les chercheurs ont découvert des parallèles intrigants entre l’écoulement du vortex et l’influence gravitationnelle des trous noirs sur l’espace-temps environnant. Cette réalisation ouvre de nouvelles voies pour les simulations de théories quantiques des champs à température finie dans le domaine complexe des espaces-temps courbes.

Une recherche fondamentale soutenue et célébrée

La professeure Silke Weinfurtner, qui dirige les travaux dans le Laboratoire des Trous Noirs où cette expérience a été développée, souligne l’importance de cette recherche : « Lorsque nous avons observé pour la première fois des signatures claires de la physique des trous noirs dans notre expérience analogue initiale en 2017, cela a été un moment décisif pour la compréhension de certains phénomènes étranges qui sont souvent difficiles, sinon impossibles, à étudier autrement. Maintenant, avec notre expérience plus sophistiquée, nous avons porté cette recherche à un niveau supérieur, ce qui pourrait finalement nous permettre de prédire le comportement des champs quantiques dans les espaces-temps courbes autour des trous noirs astrophysiques. »

Cette recherche de pointe est financée par une subvention de 5 millions de livres sterling du Science Technology Facilities Council, répartie entre des équipes de sept institutions britanniques de premier plan, dont l’Université de Nottingham, l’Université de Newcastle et le King’s College de Londres. Le projet a également bénéficié du soutien de la bourse du réseau UKRI sur les simulateurs quantiques pour la physique fondamentale et de la bourse de recherche des leaders du Leverhulme détenue par la professeure Silke Weinfurtner.

Légende illustration : Installation expérimentale dans le laboratoire utilisé pour la recherche sur les trous noirs. (Image : Leonardo Solidoro)

Article : « Rotating curved spacetime signatures from a giant quantum vortex » – DOI: s41586-024-07176-8