Une bombe à trou noir – une idée proposée pour la première fois en 1969 – a maintenant été réalisée dans le laboratoire en tant que modèle de jouet fabriqué à partir d'un cylindre rotatif et de bobines magnétiques. L'étude de la bombe pourrait nous aider à mieux comprendre les vrais trous noirs.
Nourrir un trou noir suffisamment d'énergie et vous pourriez créer une explosion
Les physiciens ont construit la toute première bombe à trou noir, un phénomène à long terme où l'énergie est stimulée par un trou noir et piégée par des miroirs environnants jusqu'à ce qu'une explosion se produise. Heureusement, cette version est juste un modèle de jouets sûr plutôt que d'utiliser un vrai trou noir dans l'espace, mais comme les principes physiques sont identiques, il pourrait aider les chercheurs à mieux comprendre à quel point les vrais trous noirs tournent.
L'idée d'extraire l'énergie d'un trou noir a été proposée pour la première fois en 1969 par le physicien Roger Penrose. Il a noté qu'une particule volant extrêmement près d'un trou noir tournant gagnera de l'énergie en raison d'un effet curieux de la relativité générale, qui voit la traînée du trou noir et accélérer l'espace-temps autour de lui.
Deux ans plus tard, un autre physicien, Yakov Zeldovich, s'est rendu compte qu'un processus similaire pourrait se produire dans d'autres scénarios, comme la lumière se déplaçant autour d'un cylindre métallique à filation rapide. Il a calculé que cet effet de «superradiance» devrait se produire tant que le cylindre tourne à la même fréquence que la lumière – mais c'est incroyablement rapide. «Il est impossible de faire pivoter quoi que ce soit (fait) de matière à ce type de vitesses», explique Hendrik Ulbricht à l'Université de Southampton, au Royaume-Uni.
Zeldovich a également suggéré qu'en entourant le cylindre rotatif avec un miroir cylindrique, l'énergie amplifiée pourrait être réfléchie et accumulée dans une boucle de rétroaction positive, jusqu'à ce que l'énergie soit soit évacuée ou qu'il explose. En appliquant cette idée aux trous noirs, on pourrait être utilisé pour produire une «bombe à trou noir», libérant autant d'énergie qu'une supernova. Cela fonctionnerait également même sans source d'énergie externe, le trou noir amplifiant de minuscules fluctuations électromagnétiques dans le vide de l'espace lui-même, produisant efficacement l'énergie à partir du bruit.
Tout cela est resté théorique, mais maintenant Ulbricht et ses collègues ont trouvé un moyen de démontrer la boucle de rétroaction de Zeldovich en utilisant un cylindre en aluminium rotatif et des champs magnétiques. Ulbricht a construit le premier prototype lors du premier verrouillage du Royaume-Uni Covid-19 en 2020. « Tout a été fermé, et je me suis vraiment ennuyé et je voulais faire quelque chose, alors j'ai construit la configuration et j'ai commencé à faire ces expériences, et j'ai vu une amplification. J'étais tellement super excité qu'en fait, vous pourriez dire que cela m'a sauvé pendant Covid. »
Il a rapidement recruté des collègues pour construire une configuration expérimentale plus robuste, qui se compose d'un cylindre en aluminium rotatif propulsé par un moteur électrique, entouré de trois couches de bobines métalliques produisant un champ magnétique qui tourne également autour du cylindre à une vitesse similaire. Dans cette configuration, les bobines agissent comme le miroir et le champ magnétique comme lumière et, comme l'a prédit Zeldovich, cela a produit un champ magnétique encore plus grand émanant du cylindre.
« Vous lancez une vague électromagnétique à basse fréquence contre un cylindre tournant, qui penserait que vous récupérez plus que ce que vous avez jeté? C'est totalement ahurissant », explique Vitor Cardoso à l'Université de Lisbonne au Portugal.
Ulbricht et son équipe ont ensuite montré que même sans les bobines produisant un champ magnétique externe pour commencer, la configuration générerait toujours un signal en fuite dans les bobines environnantes, tout comme l'exemple théorique d'un trou noir sans source d'énergie externe. «Nous générons essentiellement un signal à partir du bruit, et c'est la même chose qui se produit dans la proposition de bombe de trou noir», explique Ulbricht.
«Avoir des mesures précises en laboratoire de ce processus vous permet vraiment de dire en toute confiance:« Oui, cela doit également se produire dans la physique des trous noirs », explique Cardoso.
Bien que la version de laboratoire ne soit qu'un analogue, il pourrait aider les physiciens à comprendre comment les vrais trous noirs donnent de l'énergie aux particules autour d'eux. Cela pourrait aider à tester des idées théoriques sur les champs de particules non visibles, comme celui qui donne naissance à la matière noire.
«Si de nouveaux champs existent, nous devrions voir, par exemple, des ondes gravitationnelles émises par ce nuage autour des trous noirs, ou nous devrions voir des trous noirs tourner parce qu'ils donnent leur énergie à ces nouvelles particules», explique Cardoso. « La superradiance transforme donc les trous noirs en détecteurs de particules, et de bien meilleurs détecteurs de particules que (le grand collisionneur de hadrons) CERN peut être pour ce type de matière noire. »
