Rayonnement d'un trou noir acoustique
Publié par Redbran le 01/12/2015 à 12:00
Source et illustration: CNRS
Caractériser le rayonnement d'un trou noir acoustique dans un condensat de Bose Einstein

Des physiciens viennent de montrer que les techniques expérimentales actuelles devraient permettre de détecter et de caractériser la signature quantique du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) émis par l'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se décline en physique, philosophie, littérature, et bien d'autres domaines :) d'un trou noir acoustique (De nombreuses hypothèses ont été émises sur la propagation des rayons lumineux aux alentours des trous noirs, telle l'émission de photons de plus en plus énergétiques afin de vérifier un rayonnement...) réalisé dans l'écoulement unidimensionnel d'un condensat de Bose Einstein.

L'une des prédictions les plus marquantes du physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot physicien...) théoricien Stephen Hawking (Stephen W. Hawking, CH, CBE, FRS, FRSA, est un physicien théoricien et cosmologiste anglais, né le 8 janvier 1942 à Oxford. Hawking a été professeur de...) est que les trous noirs gravitationnels émettent un faible rayonnement d'origine quantique. Face aux difficultés théoriques et pratiques posées par l'expérimentation (L'expérimentation est une méthode scientifique qui consiste à tester par des expériences répétées la validité d'une hypothèse et à obtenir des données quantitatives permettant de l'affiner. Elle est pratiquée par...) sur un tel objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut...), les physiciens se sont tournés vers l'étude des systèmes analogues et notamment dans le domaine hydrodynamique. La zone de transition entre une région subsonique et une région supersonique (Supersonique signifie « supérieur à la vitesse du son ».) d'un écoulement constitue pour les ondes acoustiques l'analogue de l'horizon d'un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper (à...) car les ondes acoustiques ne peuvent pas remonter l'écoulement supersonique.


A gauche: schéma d'un écoulement comprenant une région supersonique. Une onde sonore émise dans la région subsonique (en blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre lumineux continu, d'où...) sur la figure) se propage dans toutes les directions (fronts d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...) rouges). La même onde émise dans la région supersonique (grisée sur la figure) est entrainée par l'écoulement et ne peut pas sortir de la région grisée qui se comporte donc comme l'intérieur d'un trou noir. A droite: même configuration, mais ici en l'absence d'émetteur sonore. Les fluctuations quantiques au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les...) de la frontière (Une frontière est une ligne imaginaire séparant deux territoires, en particulier deux États souverains. Le rôle que joue une frontière peut...) entre les régions sub- et super-soniques (l'horizon sonique) pilotent l'émission de paires de particules corrélées, des “quanta de son” dénotés “Hawking” et “partenaire” sur la figure.

Des physiciens du Laboratoire Charles Fabry (Charles Fabry (1867-1945) est un physicien français.) - LCF (CNRS/IOGS/Univ. Paris-Sud), du Laboratoire de physique théorique (La physique théorique est la branche de la physique qui étudie l’aspect théorique des lois physiques et en développe le formalisme mathématique.) d'Orsay - LPT (CNRS/Univ. Paris-Sud), du Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) théorique et de modèles statistiques (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de données ainsi que la présentation de ces ressources afin de les...) - LPTMS (CNRS/Univ. Paris-Sud) et du centro Fermi, viennent de montrer dans une étude théorique qu'en choisissant comme fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu compressibles. Dans certaines...) un condensat de Bose Einstein il devrait être possible de mettre en évidence un rayonnement sonique émis par l'horizon acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des sons et des ondes mécaniques. Elle fait appel aux phénomènes ondulatoires et...) qui est l'analogue du rayonnement de Hawking émis par l'horizon d'un trou noir gravitationnel. La méthode proposée, qui consiste à mesurer les corrélations entre les vitesses des particules émises de part et d'autre de l'horizon sonique devrait permettre d'en caractériser les propriétés quantiques en s'affranchissant du bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur...). Ce travail est publié dans la revue Physical Review Letters.

Pour ce travail, les physiciens ont analysé théoriquement l'écoulement d'un condensat de Bose-Einstein (Un condensat de Bose-Einstein est un état de la matière formé de bosons à une température suffisamment basse, caractérisé par une fraction macroscopique d'atomes...) piégé dans une configuration assurant un écoulement unidimensionnel. Un potentiel extérieur jouant un rôle d'obstacle produit dans le condensat un écoulement subsonique en amont de l'obstacle et supersonique en aval. Les chercheurs ont modélisé l'onde de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La...) que forme le condensat de Bose-Einstein par un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) quantique dont la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) est gouvernée par une équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre l'équation consiste à déterminer toutes les façons de donner à certaines...) permettant d'analyser les fluctuations quantiques au voisinage de la solution classique qui décrit l'écoulement du condensat. Dans ce cadre ils ont déterminé la matrice de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information), voire de...) permettant de relier les fluctuations repartant du système étudié aux fluctuations qui y parviennent. Ceci leur a permis de montrer que la formation d'un horizon sonique se traduit par l'apparition de deux pics distincts dans la distribution des vitesses des particules.

Les physiciens ont également analysé les corrélations entre les vitesses des particules émises de part et d'autre de l'horizon, et ont identifié des signaux de corrélation spécifiques, qui n'apparaissent que lorsqu'un horizon sonique est présent. Certains de ces signaux correspondent alors aux corrélations entre les canaux d'émission des paires issues des fluctuations du vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.). Ces corrélations entre les vitesses des particules émises de part et d'autre de l'horizon permettent de remonter à l'origine quantique du phénomène et de prouver que les paires émises sont intriquées. Cette intrication est démontrée en comparant l'intensité des corrélations croisées (sur les canaux d'émission “Hawking” et “partenaire” - voir figure) au simple produit des corrélations intra-canal. Ce critère s'avère particulièrement robuste vis à vis des fluctuations thermiques, et devrait pouvoir être accessible expérimentalement avec des condensats dont les caractéristiques sont semblables à ce qui est usuellement réalisé dans les laboratoires.

Pour plus d'information voir:
Quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel) représente la plus petite mesure indivisible, que ce soit celle de...) signature of analog Hawking radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par...) in momentum space
D. Boiron1, A. Fabbri2, P.-E. Larré3, N. Pavloff4, C. I. Westbrook1, et P. Zin5, Physical Review Letters 15, 025301 (2015)

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