Dans ce long canal transparent, un liquide (ici éclairé en fluo) est forcé de passer par-dessus un obstacle, ce qui le fait accélérer. Résultat : une petite cascade qui correspond à un analogue de trou noir. Photo : avec la permission de Germain Rousseaux
Difficile d’étudier de près les trous noirs, ces astres extrêmes qui défient les lois de l’Univers. Qu’à cela ne tienne, des scientifiques en recréent en laboratoire avec de l’eau, du son ou de la lumière. Incursion dans le monde de la « gravitation analogue ».
Situé en banlieue de Poitiers, en France, l’Institut P’ – à prononcer P prime – est le siège de recherches éclectiques. Les quelque 500 personnes qui y travaillent étudient les matériaux composites, l’hydro et l’aérodynamique, l’effet du trafic fluvial sur l’érosion des berges, l’efficacité énergétique des moteurs et… les trous noirs.
Pour en savoir plus sur ces curiosités cosmiques, il faut se rendre à la « plateforme hydrodynamique », un bâtiment à l’allure d’entrepôt portuaire qui abrite des bassins de toutes tailles. « Et voilà le trou noir ! » s’exclame notre guide, Germain Rousseaux, en désignant un canal aux parois transparentes, long de 7 mètres et large d’une vingtaine de centimètres, dans lequel coule une petite « rivière ». À première vue, difficile de ne pas être déçu. Le trou noir en question est un mini-rapide, créé au centre du canal par un obstacle en plastique qui induit une accélération de l’écoulement. Rien d’effrayant, ni de spectaculaire.
Pourtant, l’idée de base est brillante : « Avec l’hydrodynamique, il se passe exactement la même chose qu’avec la gravitation, lance le physicien avec passion. La propagation des ondes dans un fluide en mouvement est régie par la même équation que la propagation de la lumière dans un espace-temps courbé par la matière. » Autrement dit, en générant artificiellement des vaguelettes à la surface de l’eau et en étudiant leur comportement lorsqu’elles tombent dans la « cascade », on a un aperçu de ce qui se passe au fin fond de l’Univers quand la lumière est aspirée au cœur d’un trou noir. Vertigineux !
Si le parallèle paraît un peu tiré par les cheveux, mathématiquement, il tient tout à fait la route. Au point qu’il a donné naissance à un véritable champ de recherche, appelé « gravitation analogue ». Le principe est simple : puisqu’on ne peut pas aller voir ce qui se trame aux abords des vrais trous noirs, ces astres d’une densité inouïe qui font ployer le tissu de l’espace-temps, autant créer des modèles qui s’en approchent, même approximativement. Et en profiter pour faire avancer les connaissances sur les lois du cosmos ! Preuve de la validité de la démarche, en 2016, l’équipe de Germain Rousseaux, à l’Institut P’ (rattaché au Centre national de la recherche scientifique français), a réussi à observer dans son bac d’eau un phénomène analogue à la radiation émise par les trous noirs, le rayonnement de Hawking. Nous y reviendrons…
Disons-le d’emblée : la gravitation analogue n’a rien d’un badinage aquatique. C’est de la physique de haute voltige, qui ouvre une fenêtre sur des phénomènes complexes. Des phénomènes impossibles à détecter directement, même avec les meilleurs télescopes ! « Il y a un engouement pour ce domaine de recherche : en 2019, il n’y avait que six groupes dans le monde qui menaient des expériences ; il y en a le double aujourd’hui », dit avec enthousiasme Maxime Jacquet, chercheur post-doctoral dans le même domaine au prestigieux Laboratoire Kastler Brossel de la Sorbonne-Université à Paris.
Une formidable intuition
Pour comprendre cette course aux simili trous noirs, il faut revenir à la genèse (canadienne !) de la gravitation analogue, il y a quatre décennies. C’est William Unruh, professeur de physique à l’Université de Colombie-Britannique, qui lâche une petite bombe dans un article fondateur paru en 1981. Ce spécialiste de la relativité générale y démontre avec brio l’analogie mathématique entre la dynamique des ondes sonores dans un fluide qui se déplace très vite et la propagation des ondes lumineuses dans l’espace-temps courbe. Sur le moment, cette démonstration, qui fait un lien entre deux domaines de la physique qui ne se côtoient pas d’habitude, passe un peu sous le radar… « Mais en 1993, le physicien néo-zélandais Matt Visser, qui ne connaît pas Unruh, arrive à la même conclusion. Cette fois, le sujet explose. Et il y a une compétition féroce entre plusieurs équipes dans le monde pour trouver les meilleurs modèles analogues », raconte Germain Rousseaux. En effet, ce qu’indiquent les équations, c’est que le parallèle est valable avec différents types d’ondes.
Il faudra attendre 2008 pour que les premières expériences voient le jour – en particulier celles de notre hôte, dans ses bacs d’eau. « Je faisais déjà dans l’interdisciplinarité : j’ai fait une thèse sur les rides de sable sous-marines, ce qui combine la mécanique des fluides et celle des milieux granulaires, et j’avais le bon bagage pour comprendre Unruh », affirme M. Rousseaux.
La cosmologie ne fait pas peur au jeune chercheur : après tout, un trou noir n’est qu’une sorte de siphon céleste, un puits qui attire la lumière et ne la laisse jamais ressortir. « Dans un canal hydraulique, on simplifie tout ça. Si on crée des ondes circulaires en amont de l’obstacle immergé dans le canal, elles peuvent remonter le courant [comme un caillou jeté dans un lac crée des vagues qui se propagent en cercles concentriques]. Mais proche de l’obstacle, l’eau accélère ; les ondes à sa surface sont entraînées et ne peuvent plus remonter l’écoulement », explique-t-il, démonstration à l’appui.
Ce point de non-retour, c’est l’équivalent de « l’horizon des événements » des trous noirs. Ces astres à la masse incroyablement élevée, compactée dans un petit volume, sont justement définis par cette frontière immatérielle, au-delà de laquelle tout chemin inverse est impossible. Une fois franchi l’horizon, les particules cosmiques sont irrémédiablement attirées par la force gravitationnelle colossale. Pour s’en dégager, elles devraient atteindre une vitesse supérieure à celle de la lumière, ce qui est impossible. Résultat, même la lumière se trouve piégée.
En laboratoire, plusieurs types de « pièges » à ondes peuvent imiter ce phénomène. « Aujourd’hui, il y a quatre systèmes analogues principaux, et chacun a son avantage », indique Maxime Jacquet.
Les ondes de surface, dans l’eau, sont les plus simples à comprendre. À l’Institut Weizmann des sciences, en Israël, une équipe manipule plutôt des fibres optiques. Grâce à des phénomènes de réfraction, les scientifiques parviennent à ralentir une onde lumineuse et à lancer à ses trousses une impulsion laser plus rapide. Celle-ci se « heurte » à la première et se retrouve piégée ; le front de l’impulsion fait office d’un horizon de trou noir, une zone que l’onde rapide ne peut pas quitter.
Maxime Jacquet et son équipe, de leur côté, utilisent des polaritons. Ces sortes de duos photon-électron forment, lorsqu’ils sont en mouvement, un « superfluide » sans viscosité qui se propage sans turbulences. « Concrètement, on envoie à très basse température un rayon laser sur un semi-conducteur. Les électrons du semi-conducteur se couplent avec les photons du rayon laser, et le tout crée un superfluide, qui a la propriété d’être extrêmement calme. Cette propriété permet de voir des perturbations de toute petite amplitude [l’équivalent des ondes dans le canal d’eau]», explique-t-il. Une fois cette « lumière liquide » obtenue, on la manipule à l’aide du laser pour la faire s’écouler en spirale, un peu comme dans un siphon.
Quatrième système en vogue : les « condensats de Bose-Einstein », un nom un peu barbare qui désigne un état surprenant de la matière. « L’idée est de refroidir des atomes afin qu’ils se comportent comme une seule grande onde de matière ; ils sont très semblables à nos polaritons », ajoute le physicien. Une partie du condensat est ensuite accélérée avec un laser à une vitesse supérieure à celle du son, ce qui crée une frontière infranchissable pour les parties plus lentes du condensat. Bref, on obtient là encore une « métaphore » de trou noir.
Trous noirs et fontaines blanches
Si Germain Rousseaux simule des trous noirs dans un écoulement d’eau, il fait la plupart de ses calculs sur des « fontaines blanches », l’exact inverse, soit des zones dans lesquelles rien ne pénètre. C’est l’idée du ressaut dans l’évier, le petit « rebord » d’eau qui se crée quand on ouvre le robinet et qu’il y a un peu d’eau au fond de la cuve. Si on envoie des vaguelettes en direction de ce ressaut, elles sont bloquées en bordure, ce qui fait office d’horizon blanc. « On ne sait pas si les horizons blancs existent en relativité générale, mais les équations sont symétriques – c’est comme un film de trou noir passé à l’envers. C’est une astuce théorique qui facilite les expériences », explique le chercheur. En gros, c’est plus simple d’étudier (et de mesurer) un écoulement qui ralentit plutôt qu’un flux qui accélère, et « d’inverser » les équations ensuite.
Effets quantiques
Là où ces trous noirs artificiels deviennent (presque) plus fascinants que leurs homologues cosmiques, c’est qu’on peut les triturer, les perturber… et observer ce qui se passe à l’horizon des événements à l’échelle microscopique – ou quantique.
La quête initiale de la communauté était d’observer la radiation des trous noirs, un phénomène prédit par Stephen Hawking en 1974 et trop faible pour être décelé dans le cosmos par nos instruments. Si cette radiation est au cœur des recherches, c’est parce qu’elle est un trait d’union entre la relativité générale et la mécanique quantique, deux théories qui décrivent notre Univers, mais qui sont inconciliables. Comprendre cette radiation, ou comprendre son analogue, du moins, serait donc un premier pas vers une « théorie quantique de la gravitation » – une conciliation des deux.
En quoi consiste cette radiation ? Il faut savoir que, dans l’Univers, des paires de particule-antiparticule surgissent constamment du néant, et s’annihilent instantanément (on est au niveau quantique, c’est donc… étrange). Sauf qu’à l’horizon d’un trou noir, lorsqu’un tel couple se forme, les partenaires sont séparés. On sait que la particule s’échappe, alors que l’antiparticule est absorbée par l’astre. Le trou noir semble donc émettre un rayonnement, dit de Hawking, correspondant aux particules qui fuient. Parallèlement, l’astre perd de la masse : il « s’évapore », car il absorbe de l’énergie négative (les antiparticules). Mais peu importe les détails. « Le trou noir est une sorte de dissociateur, comme quelque chose qui séparerait des jumeaux à la naissance », résume Germain Rousseaux. Or les particules, en physique quantique, sont semblables à des ondes. Et dans notre entrepôt fluvial de Poitiers, les trous noirs aquatiques du chercheur peuvent donc, eux aussi, manifester un effet de Hawking.
Pour le prouver, l’équipe a dû mettre au point des techniques de mesure au laser permettant de déceler de petites fluctuations à la surface de l’eau « avec une précision diabolique ». « Au début, je produisais des vagues d’une amplitude de l’ordre de la dizaine de centimètres. Aujourd’hui, ce sont des ondes de l’ordre du micron ! » dit-il, précisant qu’il travaille désormais surtout dans un bassin plus petit, long de 1,5 m.
L’acharnement paie. En 2016, l’équipe observe enfin des ondes qui « rebondissent » sur l’horizon et qui remontent le courant d’eau dans le canal ; on simplifie ici, mais elles correspondent à la séparation des paires particule-antiparticule, donc à l’équivalent du rayonnement de Hawking ! Ce dernier est aussi observé la même année dans les condensats de Bose-Einstein. Et en 2019, l’équipe de l’Institut Weizmann réitère l’exploit dans ses fibres optiques.
« Ces expériences ont montré la robustesse de l’effet de Hawking ; même si on s’éloigne de l’analogie parfaite, ce rayonnement est là, c’est dingue ! » souligne Maxime Jacquet, qui espère voir lui aussi ce phénomène dans sa lumière fluide.
Forte de cette observation, la communauté de la gravitation analogue a revu récemment ses ambitions à la hausse. Ses objectifs : observer d’autres phénomènes « quantiques », notamment sur des trous noirs analogues en rotation, voire des effets « cosmologiques », comparables à ceux qui prévalaient au tout début de l’Univers.
« Les propriétés des véritables trous noirs sont fixées par la relativité générale. Nous, en laboratoire, nous avons le contrôle absolu sur plein de paramètres de notre “trou noir”: la courbure de l’espace-temps, la vitesse à laquelle il tourne, la taille de l’intérieur de son horizon. On fait ce qu’on veut ! » s’exclame Maxime Jacquet. Pour les spécialistes de la physique théorique, cette flexibilité est une aubaine : elle permet de pousser la théorie dans ses retranchements et d’expérimenter sur de nouveaux terrains, encore plus extrêmes que les trous noirs classiques. De quoi, peut-être, voir émerger de nouvelles idées ou « découvrir des phénomènes de gravitation non anticipés », soutient Germain Rousseaux.
Voir le vrai effet de Hawking ?
Les propriétés des trous noirs défient l’imagination. Prenez par exemple les trous noirs supermassifs, qui siègent au centre des galaxies : leur masse équivaut à plusieurs millions de fois celle du Soleil ! Malgré ça, ils sont très compacts, lointains, et donc complexes à étudier avec des télescopes – d’autant qu’ils ne renvoient aucune lumière. Au niveau de ces monstres cosmiques, le rayonnement de Hawking est impossible à observer. Il faut dire que la « température » de ce rayonnement est inversement proportionnelle à la taille de l’objet. La chaleur émise par les trous noirs est presque aussi froide que le fond de l’Univers, en somme…
Il faudrait donc disposer de minuscules trous noirs pour espérer voir un rayonnement plus affirmé. Bonne nouvelle : « de petits trous noirs dits primordiaux, qui se seraient formés peu de temps après le big bang, sont peut-être encore présents », explique Gabriel Sasseville, étudiant à la maîtrise à l’Université de Montréal dans l’équipe de Julie Hlavacek-Larrondo, titulaire de la Chaire de recherche du Canada en astrophysique observationnelle des trous noirs. Le télescope Fermi lancé par la NASA en 2008 a justement pour but de déceler les flashs de rayonnement gamma que ces mini-trous noirs produiraient en s’évaporant, indique le jeune scientifique. « Pour l’instant, rien n’a été observé. En attendant, les expériences de gravitation analogue sont une bonne piste pour développer de nouvelles idées. »
Au-delà des limites
Germain Rousseaux devant l’un des bassins.
Évidemment, même si ces travaux sont solides, l’analogie a ses limites. Ce n’est pas parce qu’on observe des effets dans une cascade d’eau ou une fibre optique que ceux-ci existent bel et bien dans le monde astrophysique. « Ça passionne beaucoup, mais ce sont des expériences très difficiles, souligne Guillaume Gervais, physicien à l’Université McGill. Le seul test est celui du temps, pour s’assurer que ces interprétations resteront valides. » Lui-même fasciné par les idées de William Unruh, il tente de créer un trou noir acoustique minuscule (voir encadré ci-dessus).
Germain Rousseaux est d’ailleurs le premier à le dire : « Il faut faire extrêmement attention à la transposition de nos résultats. Il y a eu des annonces spectaculaires par certaines équipes, qui ont dû se rétracter ensuite », indique-t-il.
Il n’empêche, si les débats quant aux résultats d’un groupe ou d’un autre sont parfois houleux, la passion semble unir toute la communauté. Ces adeptes de l’interdisciplinarité jonglent autant avec les concepts de cosmologie qu’avec ceux de physique quantique et de mécanique des fluides. Et ils s’échinent sur leurs expériences ultra-sensibles malgré un manque chronique de financement. « Les projets interdisciplinaires de recherche fondamentale ne sont jamais bien financés, les idées novatrices non plus », affirment à l’unisson – et sans se connaître – Germain Rousseaux et Guillaume Gervais.
C’est pourtant en sortant des sentiers battus que l’on découvre des concepts inédits. « Les cosmologistes s’intéressent d’ailleurs de plus en plus à nos expériences, car ils sont bloqués sur la compréhension de certains effets quantiques, constate Maxime Jacquet. Certes, on ne sait pas s’il y a réellement une universalité [entre les lois de la mécanique des fluides et celles de l’astrophysique], mais ma perception, c’est qu’on peut tourner les vis de nos systèmes, les tester et dire aux cosmologistes : “Voilà à quel type d’effet vous pourriez vous attendre”. Charge aux théoriciens de vérifier que c’est le cas. » La balle est dans leur camp.
Dans les pas de William Unruh
Le laboratoire de Guillaume Gervais, au sous-sol du bâtiment de physique de l’Université McGill, ressemble à la cale d’un navire. Des tuyaux courent au plafond, des bombonnes d’azote liquide s’entassent à l’entrée et des fils émergent d’une colonne dotée de nombreux cadrans à aiguilles. C’est avec ce dispositif bricolé (« un ancien appareil de la Navy acheté sur eBay ! ») que le chercheur et son étudiante en thèse, Renée Goodman, espèrent créer un trou noir acoustique, tel que l’avait imaginé William Unruh dans les années 1980.
Si Guillaume Gervais travaille normalement sur les qubits, des unités de calcul de l’ordinateur quantique, la gravitation analogue est son « hobby ». Il n’y consacre que 5 % de son temps, mais il s’anime dès qu’il en parle. « L’article d’Unruh est magnifique. C’est de la poésie pour les physiciens ! » s’exclame-t-il, déplorant que la mécanique des fluides ait été « négligée » et soit peu enseignée aujourd’hui.
Son plan tient en quelques mots : injecter de l’hélium à haute pression dans un mini-entonnoir. Lorsque le fluide passera dans le trou de quelques nanomètres de diamètre, il accélérera et dépassera la vitesse du son, empêchant les ondes acoustiques qui se propagent à contre-courant de « remonter » et créant un horizon de trou noir. Renée Goodman planche justement sur le dispositif, qui est niché au cœur d’une boîte circulaire en métal à laquelle sont reliés des câbles très fins. « On a conçu des systèmes de plusieurs tailles parce qu’on ne sait pas encore lequel sera le meilleur », explique avec humilité le physicien.
Si cela fonctionne, de la même façon qu’un trou noir émet un rayonnement de Hawking, le trou noir acoustique devrait émettre en retour un « petit sifflement ». Le rêve de Guillaume Gervais ? « Je veux entendre ce bzzzzzzz ! »
