Mieux comprendre les trous noirs
À Sorbonne Université, nous créons un état spécial de la matière, un “fluide de lumière” pour imiter la physique des trous noirs. Ainsi, bien que ces derniers resteront sans doute à jamais inaccessibles, nous pouvons tester notre compréhension de leur fonctionnement et des phénomènes quantiques surprenants qui se produisent à leur surface, comme le rayonnement de Hawking.
© Rubidium - Quentin Glorieux
En physique, lorsqu’on souhaite comprendre un objet ou un phénomène, on dit qu’on le modélise, et on teste ce modèle en faisant des expériences.
Mais alors comment faire si l’objet ou le phénomène sont hors de portée de nos expériences ? L’une des possibilités est d’en faire une simulation, une réalisation artificielle, pour tester le modèle.
Dans le cadre du projet européen PhoQuS (Photons for quantum simulations) coordonné par le laboratoire Kastler Brossel à Sorbonne Université, nous essayons justement de tester des modèles d’objets et de phénomènes inatteignables en les simulant à l’aide d’un système très spécial de notre fabrication : la lumière “fluide” !
La lumière fluide : le secret pour imiter la physique des trous noirs ?
Dans le cadre du Quantum Flagship (un grand projet de recherche Européen sur les technologies quantiques), nous avons développé un nouveau système de simulation permettant d’étudier certains effets de la physique des trous noirs. Ces astres très spéciaux, denses et infiniment compacts sont au cœur des plus importantes théories de la physique moderne et bouleversent notre compréhension de l’univers. Pouvoir en étudier certains aspects en laboratoire est très intéressant1 !
Le groupe d’Optique Quantique du laboratoire Kastler Brossel a développé un nouveau système de simulation basée sur une technique utilisée pour la première fois par le groupe en 20092. Il s’agit de rendre la lumière fluide, voire superfluide, en la faisant interagir avec un matériau semi-conducteur refroidi à -269°C.
En savoir plus sur la lumière fluide :
Comment faire s’écouler de la lumière ? | PhoQuS
Une fois qu’on a un superfluide de lumière, il suffit de faire s’écouler le superfluide comme dans un siphon pour que les “particules” du fluide soient entraînées comme si elles tombaient sur un trou noir3.
Ça vous intrigue ? On vous montre comment ça marche et ce qu’on voit au laboratoire dans cette seconde vidéo :
Un trou noir en plein Paris ?! | PhoQuS
Vers une meilleure compréhension des trous noirs ?
Ces simulations nous permettent d’étudier des effets de la physique microscopique (la physique quantique) des particules près des trous noirs.
Par exemple, en plus d’observer le déplacement des particules près des trous noirs, nous pouvons aussi observer le “rayonnement de Hawking”. Il s’agit d’un phénomène quantique par lequel des paires de particules apparaissent spontanément (hors du vide !) près de l’horizon des trous noirs. C’est un phénomène déroutant mais très bien compris théoriquement4. En observer les propriétés avec notre simulateur nous ouvrirait de nouvelles fenêtres de compréhension sur la physique des trous noirs… et de nos superfluides de lumière ! En effet, pour y parvenir, nous devons apprendre à encore mieux comprendre et maîtriser notre expérience de laboratoire.
Vous pouvez en apprendre davantage en regardant nos vidéos YouTube et aussi, pour les personnes les plus curieuses, en allant lire nos publications scientifiques en anglais sur le sujet :
1 The next generation of analogue gravity experiments.
2 Superfluidity of polaritons in semiconductor microcavities.
3 Polariton fluids for analogue gravity physics.
4 Quantum vacuum excitation of a quasi-normal mode in an analog model of black hole spacetime.