Les chercheurs ont créé un vortex quantique dans l’hélium superfluide pour étudier la dynamique des trous noirs, révélant ainsi de nouvelles informations sur les champs quantiques et les espaces-temps courbes grâce à des expériences cryogéniques innovantes. Crédit : Issues.fr.com
Une équipe de scientifiques a réussi à imiter trou noir conditions en créant un vortex quantique dans l’hélium superfluide, mettant en lumière les interactions gravitationnelles et les théories quantiques des champs dans les espaces-temps courbes.
Les scientifiques ont pour la première fois créé un vortex quantique géant pour imiter un trou noir dans de l’hélium superfluide, ce qui leur a permis de voir plus en détail comment les trous noirs analogiques se comportent et interagissent avec leur environnement.
Des recherches menées par le Université de Nottingham, en collaboration avec le King’s College de Londres et l’Université de Newcastle, a créé une nouvelle plateforme expérimentale : une tornade quantique. Ils ont créé un vortex tourbillonnant géant dans de l’hélium superfluide refroidi aux températures les plus basses possibles. Grâce à l’observation de la dynamique des ondes infimes à la surface du superfluide, l’équipe de recherche a montré que ces tornades quantiques imitent les conditions gravitationnelles à proximité des trous noirs en rotation. La recherche a été publiée aujourd’hui dans Nature.
Installation expérimentale en laboratoire utilisée dans la recherche sur les trous noirs. Crédit : Léonard Solidoro
Configuration expérimentale révolutionnaire
L’auteur principal de l’article, le Dr Patrik Svancara de l’École des sciences mathématiques de l’Université de Nottingham, explique : « L’utilisation de l’hélium superfluide nous a permis d’étudier plus en détail les minuscules ondes de surface et précision qu’avec nos expériences précédentes sur l’eau. Comme la viscosité de l’hélium superfluide est extrêmement faible, nous avons pu étudier minutieusement son interaction avec la tornade superfluide et comparer les résultats avec nos propres projections théoriques.
L’équipe a 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 vortex géants dans d’autres fluides quantiques comme les gaz atomiques ultra-froids ou les fluides quantiques de lumière. Ce système démontre comment l’interface de l’hélium superfluide agit comme une force stabilisatrice pour ces objets.
Le Dr Svancara poursuit : « L’hélium superfluide contient de minuscules objets appelés vortex quantiques, qui ont tendance à s’écarter les uns des autres. Dans notre configuration, nous avons réussi à confiner des dizaines de milliers de ces quanta dans un objet compact ressemblant à une petite tornade, obtenant ainsi un flux vortex d’une force record dans le domaine des fluides quantiques.
Vortex quantique dans une expérience sur l’hélium superfluide. Crédit : Léonard Solidoro
Aperçu de la physique des trous noirs
Les chercheurs ont découvert des parallèles intrigants entre le flux vortex et l’influence gravitationnelle des trous noirs sur l’espace-temps environnant. Cette réalisation ouvre de nouvelles voies pour les simulations des théories quantiques des champs à température finie dans le domaine complexe des espaces-temps courbes.
Le professeur Silke Weinfurtner, qui dirige les travaux au Black Hole Laboratory où cette expérience a été développée, souligne l’importance de ces travaux : « Lorsque nous avons observé pour la première fois des signatures claires de la physique des trous noirs dans notre première expérience analogique en 2017, ce fut un moment décisif. pour comprendre certains des phénomènes bizarres qu’il est souvent difficile, voire impossible, d’étudier autrement. Aujourd’hui, grâce à notre expérience plus sophistiquée, nous avons poussé cette recherche à un niveau supérieur, ce qui pourrait éventuellement nous amener à prédire comment les champs quantiques se comportent dans des espaces-temps courbes autour des trous noirs astrophysiques.
Cette recherche révolutionnaire est financée par une subvention de 5 millions de livres sterling du Science Technology Facilities Council, répartie entre les 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 été soutenu à la fois par la subvention du réseau UKRI sur les simulateurs quantiques pour la physique fondamentale et par la bourse Leverhulme Research Leaders détenue par le professeur Silke Weinfurtner.
Le point culminant de cette recherche sera célébré et exploré de manière créative dans une exposition ambi intitulée Titans cosmiques à la Djanogly Gallery, Lakeside Arts, The University of Nottingham, du 25 janvier au 27 avril 2025 (et en tournée dans des salles au Royaume-Uni et à l’étranger). L’exposition comprendra des sculptures, des installations et des œuvres d’art immersives récemment commandées par des artistes de premier plan, dont Conrad Shawcross RA, qui résultent d’une série de collaborations innovantes entre artistes et scientifiques facilitées par l’ARTlab Nottingham. L’exposition mariera enquêtes créatives et théoriques sur les trous noirs et la naissance de notre Univers.
