En utilisant la lumière pour imiter la structure de l'espace-temps, les chercheurs peuvent mieux comprendre les trous noirs – et les objets exotiques qui les imitent
Les chercheurs peuvent créer des structures analogues aux trous noirs en laboratoire
En manipulant la lumière dans une forme fluide, puis en l'utilisant pour simuler l'espace-temps, les chercheurs espèrent déverrouiller notre compréhension des trous noirs et d'autres objets exotiques.
Les objets cosmiques supermassifs, tels que les trous noirs, sont très difficiles à étudier directement, mais les chercheurs peuvent construire des analogues utiles en laboratoire en utilisant des effets quantiques. Par exemple, les chercheurs simulaient auparavant l'espace-temps – le tissu de notre réalité physique – en utilisant des atomes extrêmement froids, puis l'ont peuplé avec les équivalents de trous noirs.
Maintenant, Kévin Falque au Kastler-Brossel Laboratory (LKB) à Paris et ses collègues ont utilisé la lumière pour créer un analogue spatial exceptionnellement bien contrôlé.
Pour ce faire, ils confinés la lumière dans une petite cavité fabriquée à partir d'un matériau semi-conducteur réfléchissant, où il a rebondi entre les couches du matériau et interagissait avec les charges électriques à l'intérieur. Au cours de ce processus, les interactions quantiques ont finalement transformé la lumière en un état de matière de type liquide.
L'équipe pourrait utiliser des lasers pour contrôler les propriétés de ce fluide et la sculpter pour avoir la même géométrie que l'espace-temps. Ils pourraient également le manipuler pour créer des structures équivalentes à l'horizon d'un trou noir – le bord dont les objets peuvent tomber mais ne reviendront jamais.
Parce que leur «univers» basé sur la lumière pourrait être très bien contrôlé, Falque et ses collègues pourraient créer non seulement des horizons d'événements, mais aussi des structures d'espace-temps similaires qui sont moins abruptes.
Ils espèrent utiliser cette simulation unique pour tester comment Hawking Radiation, qui émane des trous noirs, change avec la pente de l'horizon de l'événement. Pour y arriver, cependant, ils devront rendre leur expérience plus froide et plus isolée, ce qui augmentera les effets quantiques en son sein.
«Le travail est un tour de force expérimental impressionnant», explique Juan Ramón Muñoz de Nova à l'Université Complutense de Madrid, qui a été impliquée dans la première mesure du rayonnement Hawking dans une simulation de trou noir à l'aide d'atomes ultracold. Il dit que la nouvelle expérience ouvre la porte aux observations d'une variété de nouveaux phénomènes, y compris la façon dont les trous noirs vibrent ou «sonnent».
Friedrich Koenig à l'Université de St Andrews au Royaume-Uni dit que le nouveau travail a démontré «une plate-forme des plus utiles». Il pourrait tester de nouvelles idées sur la gravité, ainsi que l'interaction mystérieuse entre les effets gravitationnels et les effets quantiques.
L'un des résultats les plus extrêmes de cette expérience pourrait être que nous découvrons que certains trous noirs observés sont en fait des imposteurs, explique Maxime Jacquet, également à LKB. La première image d'un trou noir, prise par le télescope Horizon Event, ressemble certainement à la vraie chose – mais ressembler à un trou noir n'est pas la même chose que d'être un, dit-il.
Pourrait-il y avoir des objets massifs qui plient la lumière comme des trous noirs, alors ressemblent à eux dans les images, mais qui n'ont pas d'horizons d'événements? Des travaux théoriques ont montré que cela est possible, mais des expériences basées sur la lumière peuvent être en mesure d'explorer cette possibilité davantage, explique Jacquet.
«Nous devons être très prudents. Même si nous avons ces analogues – il y a un liquide et il y a un trou noir – ces objets sont super différents», explique Falque. « Mais ce que nous faisons dans cette expérience, c'est de tester et de jouer avec la théorie qui est utilisée pour les trous noirs. »
