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Comment simuler des trous noirs... avec des métamatériaux

ActualitéClassé sous :physique , Astronomie , Xiang Zhang

Un groupe de chercheurs de l'université de Berkeley vient de trouver un moyen d'explorer la physique des trous noirs en simulant leur influence sur les rayons lumineux à l'aide des métamatériaux, ceux-là mêmes que l'on utilise pour créer des dispositifs d'invisibilité. A l'horizon : la possibilité de simuler au laboratoire des trous noirs ou même des systèmes planétaires.

Un métamatériau en GaInAsP dévie les rayons lumineux à la façon dont le ferait un trou noir dans certaines conditions. C'est ce qui se passe ici. Crédit : Berkeley Lab

Il ne suffit pas de connaître les équations d'un phénomène pour pouvoir en comprendre tous les aspects car leur résolution complète peut dépasser les capacités humaines... C'est particulièrement vrai pour les équations de la relativité générale décrivant un trou noir, avant tout parce qu'elles sont non linéaires.

Confrontés à ce genre de problème depuis des décennies avec les équations de la mécanique des fluides, les physiciens et les ingénieurs contournent en partie l'obstacle en reproduisant à l'aide de maquettes installées en soufflerie ou dans des piscines des conditions analogues à celles de l'écoulement des fluides autour d'engins divers, bateaux ou avions.

Les trous noirs, au moins dans le cadre des équations de la relativité générale, peuvent être considérés comme de pures constructions obtenues à partir de la géométrie de l'espace-temps et son influence sur le mouvement et la fréquence des photons composant des rayons lumineux. La caractéristique centrale d'un trou noir est la présence d'un horizon des événements, délimitant une régions de l'espace-temps dont rien, pas même la lumière, ne peut sortir.

Lorsque l'on projette des rayons lumineux sur un trou noir, ce dernier peut agir sur eux comme une sorte de lentille et dévier ces rayons. Dans certains cas, le rayon peut même tourner autour du trou noir et être renvoyé dans une direction presque parallèle à celle de son arrivée.

Ce genre de comportement rappelle celui des métamatériaux avec un indice de réfraction négatif capables, eux aussi, de dévier de façon très inhabituelle les rayons lumineux, au point que, depuis quelques années, la réalisation de dispositifs d'invisibilité dans le domaine visible n'est plus considérée comme de la science-fiction.

Un nouveau de moyen de simulation de phénomènes astronomiques

Xiang Zhang est un chercheur célèbre pour ses travaux sur l'optique liée aux métamatériaux. Il travaille au U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et il est professeur à l'université de Berkeley. Avec des collègues il vient de publier dans Nature Physics un article au nom évocateur, Mimicking Celestial Mechanics in Metamaterials.

Dans cet article les chercheurs montrent tout d'abord que les métamatériaux permettent de simuler l'influence sur des rayons lumineux du champ gravitationnel des trous noirs ou d'autres objets célestes massifs. Mieux, ils généralisent l'idée à toute une série de mouvements planétaires complexes exhibant des phénomènes chaotiques, caractérisés par ce que l'on appelle des attracteurs étranges.

Ainsi, l'influence du chaos sur des systèmes planétaires à l'échelle des centaines ou des milliers d'années peut être testée au laboratoire sur des échelles de temps bien plus courtes. Tous les détails des effets de lentille gravitationnelle associés par exemple aux galaxies et aux amas de galaxies peuvent en théorie aussi être simulés et testés en laboratoire.

Quels secrets sur l'Univers et les trous noirs pourront nous révéler les expériences conduites avec les métamatériaux ?

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