Des chercheurs de l'Université de Nottingham, du King's College de Londres et de l'Université de Newcastle, ont créé un vortex quantique dans de l'hélium superfluide pour simuler les conditions d'un trou noir. Ce dispositif expérimental leur a permis d'étudier de minuscules ondes de surface et leurs interactions dans l'hélium superfluide, révélant comment ces conditions ressemblent aux forces gravitationnelles à proximité des trous noirs, offrant ainsi un aperçu des champs quantiques dans les espaces-temps courbes.
Des chercheurs ont créé une tornade quantique dans de l'hélium superfluide pour simuler trou noir conditions, faisant progresser notre compréhension de la physique des trous noirs et du comportement des champs quantiques dans les espaces-temps courbes, aboutissant à une exposition d'art et de science unique.
Des scientifiques ont créé pour la première fois un vortex quantique géant dans de l'hélium superfluide pour imiter un trou noir. Cette avancée leur a permis d'observer plus en détail le comportement et l'interaction des trous noirs analogues avec leur environnement.
Des chercheurs de l'Université de Nottingham, en collaboration avec le King's College de Londres et l'Université de Newcastle, ont 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 minuscules 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.
Dispositif expérimental utilisé dans le laboratoire pour la recherche sur les trous noirs. Crédit : Leonardo Solidoro
L'auteur principal de l'article, le Dr Patrik Svancara de l'École des sciences mathématiques de l'Université de 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 « Les résultats de nos précédentes expériences sur l’eau sont plus précis. La viscosité de l’hélium superfluide étant extrêmement faible, nous avons pu étudier minutieusement son interaction avec la tornade superfluide et comparer les résultats avec nos propres projections théoriques. »
Système cryogénique avancé et connaissances quantiques
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 tourbillons 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 dispositif, 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 tourbillonnaire d’une force record dans le domaine des fluides quantiques. »
Vortex quantique dans une expérience sur l'hélium superfluide. Crédit : Léonard Solidoro
Relier les tourbillons quantiques à la physique des trous noirs
Des chercheurs ont découvert des parallèles fascinants entre le flux tourbillonnaire et l’influence gravitationnelle des trous noirs sur l’espace-temps environnant. Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives pour les simulations de théories quantiques des champs à température finie dans le domaine complexe des espaces-temps courbes.
La professeure Silke Weinfurtner, qui dirige les travaux au laboratoire Black Hole 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 lors de notre première expérience analogique en 2017, ce fut un moment décisif pour la compréhension de certains phénomènes étranges qui sont souvent difficiles, voire impossibles, à étudier autrement. Aujourd’hui, grâce à notre expérience plus sophistiquée, nous avons porté cette recherche à un niveau supérieur, qui pourrait éventuellement nous conduire 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 grandes institutions britanniques, dont l'Université de Nottingham, l'Université de Newcastle et le King's College de Londres. Le projet a également été soutenu 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 galerie Djanogly, Lakeside Arts, Université de Nottingham, du 25 janvier au 27 avril 2025 (et en tournée dans des lieux au Royaume-Uni et à l'étranger). L'exposition comprendra des sculptures, des installations et des œuvres d'art immersives nouvellement 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 des recherches créatives et théoriques sur les trous noirs et la naissance de notre Univers.
