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Les physiciens britanniques viennent de réaliser une avancée scientifique remarquable en recréant en laboratoire un phénomène théorique vieux de plusieurs décennies : la bombe à trou noir. En utilisant un cylindre en aluminium tournant entouré de bobines magnétiques, l’équipe dirigée par le professeur Hendrik Ulbricht a réussi à simuler les conditions nécessaires à l’extraction et à l’amplification d’énergie, un processus connu sous le nom de superradiance. Bien que le dispositif n’implique pas de véritables trous noirs, il offre un aperçu fascinant de la manière dont ces objets célestes interagissent avec l’espace. Ce projet, commencé pendant le confinement lié à la Covid-19, pourrait révolutionner notre compréhension des trous noirs et de l’espace-temps.
Un défi de plusieurs décennies
La théorie originale proposée par le mathématicien anglais Roger Penrose en 1971 décrivait un moyen d’extraire de l’énergie d’un trou noir en rotation grâce à un effet appelé traînée de référentiel. Cet effet, où un objet en rotation tord l’espace environnant, est extrêmement faible près de la Terre mais devient significatif près d’un trou noir. Dans l’ergosphère, une région autour d’un trou noir en rotation, des objets peuvent être entraînés à des vitesses surpassant celle de la lumière dans le vide.
Le physicien soviétique Yakov Zeldovich a étendu cette théorie en suggérant que l’énergie pourrait être amplifiée si la lumière passait autour d’un cylindre métallique en rotation à des vitesses incroyables. Zeldovich prédit qu’avec un miroir réfléchissant autour du cylindre, l’énergie pourrait s’accumuler dans une boucle de rétroaction positive. Cela suggère qu’une bombe à trou noir pourrait libérer une quantité d’énergie équivalente à celle d’une supernova, sans source d’énergie externe, le trou noir amplifiant les fluctuations électromagnétiques du vide spatial.
Malgré la complexité de construire un objet physique capable de tourner assez vite pour égaler la fréquence de la lumière, Ulbricht et son équipe ont relevé le défi pendant le confinement de 2020.
Le confinement de la Covid-19 stimule la découverte
Face aux restrictions imposées par la pandémie, Ulbricht a trouvé un projet significatif en construisant un prototype utilisant un cylindre en aluminium tournant et des champs magnétiques. La découverte d’une amplification énergétique claire dans ce système a incité le professeur à rassembler une équipe pour développer une version plus avancée de l’expérience. Le dispositif final consistait en un cylindre en aluminium entouré de trois couches de bobines métalliques générant un champ magnétique qui tourne à la même vitesse que le cylindre.
Dans ce système, le champ magnétique imite la lumière, tandis que les bobines agissent comme un miroir, emprisonnant et amplifiant l’énergie. Comme prévu par Zeldovich, l’équipe a observé un signal magnétique amplifié, créant effectivement une miniature de bombe à trou noir. De plus, sans champ magnétique extérieur initial, le système pouvait générer spontanément un signal incontrôlé à partir du bruit de fond, reflétant un scénario réel de bombe à trou noir.
Ce modèle en laboratoire, bien qu’inoffensif, offre une occasion rare d’étudier la superradiance en détail et pourrait aider à tester des théories impliquant des champs exotiques liés à la matière noire.
Implications pour la physique des trous noirs
Les résultats obtenus par l’équipe d’Ulbricht ont des implications importantes pour la physique des trous noirs. En effet, ces expériences en laboratoire fournissent des mesures précises des processus en jeu, renforçant l’hypothèse que des phénomènes similaires doivent se produire dans les trous noirs réels. Ces découvertes ouvrent de nouvelles perspectives pour la compréhension des trous noirs et des champs exotiques associés à la matière noire.
Vitor Cardoso, chercheur en physique à l’Université de Lisbonne, explique que ces expériences permettent d’envisager l’émission d’ondes gravitationnelles par des nuages autour des trous noirs, ou encore la diminution de la vitesse de rotation des trous noirs qui perdraient de l’énergie au profit de ces nouvelles particules.
En testant ces théories, les physiciens pourraient non seulement comprendre mieux les trous noirs, mais aussi explorer des domaines de la physique encore inexploités, comme les champs exotiques qui pourraient influencer la dynamique cosmique.
Un pas vers l’exploration de l’inconnu
Ces avancées expérimentales montrent comment la science peut repousser les limites de notre compréhension actuelle de l’univers. En recréant en laboratoire des conditions similaires à celles autour des trous noirs, les scientifiques peuvent explorer des phénomènes autrefois inaccessibles. Cela pourrait nous rapprocher de la résolution des mystères entourant la matière noire et d’autres énigmes cosmologiques.
L’expérience démontre également l’importance de la recherche fondamentale et de l’innovation en période de crise, comme celle du confinement lié à la Covid-19. En surmontant les défis techniques et théoriques, les chercheurs ouvrent la voie à de nouvelles découvertes qui pourraient transformer notre compréhension de l’univers et notre place dans celui-ci.
Comment ces découvertes vont-elles influencer notre perception des trous noirs et de l’univers dans les années à venir, et quelles nouvelles questions ces phénomènes vont-ils soulever ?
