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Comprendre les vagues scélérates grâce à l'hélium superfluide

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Après avoir tenté de comprendre le mystère des vagues scélérates à l'aide de la lumière, les physiciens proposent aujourd'hui d'étudier au laboratoire le mécanisme à l'origine de ces ondes en observant l'hélium superfluide.

Le mathématicien Andreï Kolmogorov. Crédit : Kolomogorov.com

Considérées il y a quelques années encore comme des légendes marines à l'instar du Hollandais volant, ces vagues surgissant subitement au-dessus de l'océan pour atteindre une hauteur de 30 mètres sont aujourd'hui largement admises par la communauté scientifique. Parce qu'elles constituent un risque majeur pour le trafic maritime, on aimerait bien comprendre exactement comment, et surtout quand, elles sont susceptibles de se former.

C'est l'un des charmes de la physique que certaines équations décrivant des phénomènes variés et apparemment sans relation entre eux, comme la propagation de la chaleur dans un fluide ou la diffusion des neutrons dans un réacteur nucléaire, sont en fait mathématiquement identiques. Si la physique diffère, on peut ainsi en apprendre plus sur un domaine en étudiant ce qui se passe dans un autre où les expériences sont plus faciles à réaliser.

Peter McClintock s'est trouvé confronté à une situation de ce genre alors qu'il ne s'y attendait probablement pas. Spécialiste de la physique de la matière condensée à l'université de Lancaster, il étudiait ce que l'on appelle le second son dans l'hélium superfluide avec ses collègues russes de l'Institut de la physique de l'état solide à Chernogololvka.

Lorsque l'on considère la propagation des ondes de chaleurs dans de l'hélium superfluide, le caractère foncièrement quantique de cet état fait apparaître un second type d'ondes lors de transferts de chaleur. C'est le second son. Il se trouve que les équations qui le décrivent ont un caractère non-linéaire et ressemblent à celles de la mécanique des fluides. En outre, bien que très faible à basse température, la viscosité de l'hélium n'est pas complètement nulle. Il peut alors se produire des phénomènes de turbulence.

Un transfert d'énergie des petites vagues vers les grosses

Au début du XXième siècle, le grand mathématicien russe Andreï Kolmogorov avait proposé une explication pour la turbulence avec un transfert de l'énergie par cascade des plus grands tourbillons vers les plus petits. La viscosité du fluide intervient alors pour dissiper l'énergie des plus petits tourbillons sous forme de chaleur.

McClintock et ses collègues avaient donc entrepris d'étudier ces phénomènes à l'aide d'un cryostat cylindrique contenant de l'hélium superfluide avec, à l'une de ses extrémités, une source de chaleur produite par la dissipation par effet Joule de l'énergie d'un courant électrique sinusoïdal avec une tension donnée. Si le processus de Kolmogorov normal a bien été observé, les chercheurs se sont aperçus qu'au-delà d'une tension critique, la cascade d'énergie s'inversait, se dirigeant des petits tourbillons en direction des grands. L'équivalent des vagues scélérates se produisait donc dans le fluide avec l'apparition d'ondes dont l'amplitude était le double de celles des ondes de chaleur ordinaire. Or, cette proportion est identique à celle observée dans l'océan !

Les chercheurs du groupe, tel German Kolmakov, un physicien théoricien de l'Institut à Chernogololvka, ne comprennent toujours pas vraiment comment ce processus de Kolmogorov inverse peut se produire mais ils travaillent sur la question...