Certains phénomènes qui se produisent dans les trous noirs mais ne peuvent pas être observés directement dans les investigations astronomiques peuvent être étudiés au moyen d'une simulation de laboratoire. Cela est possible grâce à une analogie particulière entre les processus caractéristiques des trous noirs et les processus hydrodynamiques. Le dénominateur commun est la similitude de la propagation des ondes dans les deux cas.

Cette possibilité est explorée dans un nouvel article publié dans Lettres d'examen physique . Le physicien Mauricio Richartz, professeur à l'Université fédérale de l'ABC (UFABC) au Brésil, est l'un des auteurs de l'article, produit par le groupe de Silke Weinfurtner à la School of Mathematical Sciences de l'Université de Nottingham au Royaume-Uni. La recherche a été soutenue par la FAPESP via le Projet Thématique "Physique et géométrie de l'espace-temps, " dont Alberto Vazquez Saa est le chercheur principal.

« Bien que cette étude soit entièrement théorique, nous avons également effectué des simulations expérimentales au laboratoire de Weinfurtner, " Richartz a déclaré à Agência FAPESP. " L'appareil se compose essentiellement d'un grand réservoir d'eau mesurant 3 mètres sur 1,5 mètre. L'eau s'écoule par un drain central et est pompée à l'intérieur, de sorte que le système atteint un point d'équilibre dans lequel la quantité d'entrée est égale à la quantité de sortie. Nous simulons un trou noir de cette manière."

Il a fourni plus de détails pour expliquer comment cela a été fait. "Le débit de l'eau s'accélère à l'approche du drain. Lorsque nous produisons des vagues à la surface de l'eau, on obtient deux vitesses importantes :la vitesse de propagation des ondes et la vitesse de l'écoulement global de l'eau, " il a dit.

"Loin de l'égout, la vitesse de l'onde est beaucoup plus élevée que la vitesse du fluide, les ondes peuvent donc se propager dans n'importe quelle direction. La situation est différente près du drain, toutefois. La vitesse du fluide est beaucoup plus élevée que la vitesse de l'onde, les vagues sont donc entraînées vers le bas par le courant d'eau même lorsqu'elles se propagent dans la direction opposée. C'est ainsi qu'un trou noir peut être simulé en laboratoire."

Dans un vrai trou noir astrophysique, son attraction gravitationnelle capte la matière et empêche les ondes de toute nature de s'échapper, y compris les ondes lumineuses. Dans le simulacre hydrodynamique, les ondes à la surface du fluide ne peuvent s'échapper du vortex qui se forme.

En 1981, Le physicien canadien William Unruh a découvert que la similitude entre les deux processus – un trou noir et un simulacre hydrodynamique – était plus qu'une simple analogie. Avec quelques simplifications, les équations qui décrivent la propagation d'une onde au voisinage d'un trou noir sont identiques à celles qui décrivent la propagation d'une onde dans l'eau s'écoulant dans un drain.

Cela légitime l'utilisation de processus hydrodynamiques pour étudier les phénomènes typiques des trous noirs. Dans la nouvelle étude, Richartz et ses collaborateurs ont analysé le processus de relaxation (ringdown) dans un simulacre hydrodynamique d'un trou noir hors d'équilibre, en tenant compte de facteurs précédemment ignorés. À certains égards, le phénomène qu'ils ont étudié est similaire au processus de décrochage dans un trou noir astrophysique réel qui génère des ondes gravitationnelles après avoir été créé par une collision avec deux autres trous noirs.

"Une analyse minutieuse du spectre annulaire révèle les propriétés du trou noir, comme son moment cinétique et sa masse. Dans les systèmes gravitationnels plus complexes, le spectre peut dépendre de plusieurs paramètres […]", les auteurs écrivent dans l'article publié dans Physical Review Letters.

Tourbillon

Le tourbillon est négligé par les modèles les plus simples, mais il est pris en compte dans cette étude. C'est un concept clé en mécanique des fluides qui quantifie la rotation de régions spécifiques d'un fluide en mouvement.

Si le tourbillon est nul, la région accompagne simplement le mouvement du fluide. Cependant, si le tourbillon n'est pas nul, en plus d'accompagner le flux, il tourne également autour de son propre centre de masse.

"Dans les modèles plus simples, on suppose généralement que la vorticité du fluide est égale à zéro. C'est une bonne approximation pour les régions du fluide situées à distance du vortex. Pour les régions proches du drain, cependant, ce n'est pas une si bonne approximation car dans ce cas le tourbillon devient de plus en plus important. Ainsi, l'une des choses que nous avons faites dans notre étude a été d'incorporer le tourbillon, ", a déclaré Richartz.

Les chercheurs ont cherché à comprendre comment le tourbillon influence l'amortissement des ondes pendant la propagation. Quand un vrai trou noir est perturbé, il génère des ondes gravitationnelles qui oscillent à une certaine fréquence. Leur amplitude décroît exponentiellement au cours du temps. L'ensemble des résonances amorties qui décrit comment le système excité est ramené à l'équilibre est caractérisé techniquement par un spectre de modes d'oscillation quasi-normaux.

« Dans notre étude, nous avons étudié comment le tourbillon influençait les modes quasi-normaux dans l'analogue hydrodynamique du trou noir. Notre principale conclusion était que certaines oscillations diminuaient très lentement, ou en d'autres termes est resté actif pendant longtemps, et ont été localisés spatialement à proximité du drain. Ces oscillations n'étaient plus des modes quasi-normaux, mais un modèle différent connu sous le nom d'états quasi-liés, ", a déclaré Richartz.

Un développement futur de la recherche consistera à produire ces états quasi-liés expérimentalement en laboratoire.