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Un trou de ver étudié en laboratoire
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Un trou de ver étudié en laboratoire

Quel est le lien entre une chute d’eau et un trou noir ? Dans les deux cas, il existe une frontière invisible qui, une fois franchie, vous condamne à un voyage sans retour. En amont d'une cascade, le courant s’accélère et, à partir d'un certain point, il n’est plus possible de nager assez vite à contre-courant pour ne pas être emporté. Un trou noir, pour sa part, déforme l’espace-temps à tel point qu’aucun objet, même se déplaçant à la vitesse de la lumière, ne peut s'échapper du piège gravitationnel une fois franchie une limite qualifiée d’horizon des événements.

Cette comparaison entre une chute d’eau et un trou noir est bien plus qu’une simple analogie : les équations mathématiques qui décrivent ces deux phénomènes, pourtant de natures très différentes, sont réellement similaires. De fait, des chercheurs ont entrepris d’étudier les propriétés des trous noirs à partir de dispositifs hydrodynamiques analogues, les « trous noirs acoustiques ». En 2016, Germain Rousseaux et Léo-Paul Euvé, du laboratoire Pprime à Poitiers, et d’autres collègues, avaient par exemple mis en évidence l’équivalent du rayonnement de Hawking d’un trou noir dans un courant d’eau. Les deux chercheurs ont aujourd'hui étudié par la même approche le concept de trou de ver, une structure hypothétique de l’espace-temps qui relierait deux régions distantes de l’Univers.

L’idée des trous noirs acoustiques a été formulée pour la première fois en 1981 par William Unruh, de l’université de Colombie-Britannique à Vancouver, au Canada. Il existe différentes façons de les construire et les physiciens les utilisent pour étudier certaines propriétés des trous noirs astrophysiques, inaccessibles autrement. Un des objectifs était d’étudier l’analogue du rayonnement de Hawking, imaginé par Stephen Hawking en 1974. En effet, les trous noirs ne sont pas aussi noirs qu’on le pense. Juste à l’extérieur de l’horizon des événements, des processus quantiques conduisent à l’émission de photons qui s'éloignent du trou noir. Ainsi, pour un observateur à bonne distance du trou noir, ce dernier semble émettre un rayonnement et perdre de l'énergie : il s’évapore. En 2016, Germain Rousseaux et ses collègues ont observé l’analogue de ce rayonnement dans un dispositif hydrodynamique constitué d’un écoulement turbulent dans un canal long de sept mètres. Le courant joue le rôle de l’espace-temps et les fluctuations de la surface de l'eau celui des ondes lumineuses qui s’y propagent. Un obstacle placé au fond du canal accélère le flot de sorte que des ondes qui remontent le courant finissent par être stoppées et ne se propagent pas en amont de l’obstacle. On crée ainsi l’analogue d’un trou blanc, l'hypothétique inversion d’un trou noir, c’est-à-dire une région de l’espace où rien ne peut pénétrer. Dans ce dispositif, l’analogue du rayonnement de Hawking est formé par les ondes réfléchies au niveau de l’obstacle et qui repartent vers l’aval.

Forts de ce résultat, les chercheurs de Poitiers se sont ensuite intéressés au trou de ver, une sorte de tunnel hypothétique dans le tissu de l’espace-temps reliant deux régions déconnectées de l’Univers. Cette idée n'est pas qu'une invention des auteurs de science-fiction pour régler le problème du voyage interstellaire : c'est bel et bien une solution mathématique possible des équations de la relativité générale, qui pourrait exister entre un trou noir et un trou blanc. Cependant, de nombreuses questions restent en suspens : les trous de vers peuvent-ils réellement se réaliser dans la nature ? Sont-ils stables ? Peuvent-ils être parcourus dans les deux sens ?

La question de la stabilité est cruciale. En effet, dans les premiers modèles, un trou de ver s’étire jusqu’à s’effondrer si rapidement sur lui-même qu’aucune forme d’information ne peut le traverser. Des trous de ver stables ont été obtenus dans d’autres modèles, mais ils font appel à de la matière exotique de nature inconnue (dotée d'une pression négative, comme l’énergie sombre). Par ailleurs, des solutions sont également recherchées dans le cadre de théories de gravité quantique, une formulation quantique de la relativité générale aux plus petites échelles, qui échappe pour l’instant aux physiciens.

Qu’en est-il des analogues hydrodynamiques des trous de ver ? Dans un courant avec un trou noir en amont d’un trou blanc, une onde peut évidemment circuler sans encombre dans le sens du courant. Elle entre dans le trou de ver par le trou noir et en émerge par le trou blanc en aval. Mais que se passe-t-il pour des ondes qui remontent le courant ? Lors de précédentes études, des chercheurs ont observé que la longueur d’onde des vagues diminue jusqu’à ce que les ondes soient bloquées au niveau du trou blanc et repartent vers l’aval. Cependant, si l’on considère les effets microscopiques de tension de surface de l’eau (qui pourraient être analogues  à des effets de gravité quantique dans le tissu de l’espace-temps), on observe que des ondes dites capillaires continuent de remonter le courant. Ces ondes sont rapidement dissipées par la viscosité du fluide et ne semblent pas pouvoir sortir du trou de ver par le trou noir. Pour le vérifier, Léo-Paul Euvé et Germain Rousseaux ont créé un analogue de trou de ver dans leur dispositif. Ils ont montré que, bien que l’onde capillaire soit fortement dissipée, elle atteint l’horizon du trou noir et ressort avec une longueur d’onde plus grande.

Ainsi, dans cet analogue d’un trou de ver, les ondes peuvent traverser le trou de ver dans les deux sens. Cependant, jusqu’où peut-on pousser l’analogie avec le cas astrophysique ? En effet, les trous blancs et les trous de ver astrophysiques restent hypothétiques et il n’est pas certain qu’ils puissent exister dans la nature. Nous sommes encore bien loin de savoir comment se comporte la relativité générale dans ces conditions extrêmes où le besoin d’une théorie quantique de la gravité se fait sentir. Peut-être les expériences sur les trous de ver analogues pourront-elles ouvrir des pistes pour élaborer des théories de gravité quantique.


Source : Pour la science
Crédit : shutterstock.com/vchal

n trou de ver est un objet théorique, solution des équations de la relativité générale, qui connecte deux régions éloignées de l'Univers.

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Un trou de ver étudié en laboratoire

Quel est le lien entre une chute d’eau et un trou noir ? Dans les deux cas, il existe une frontière invisible qui, une fois franchie, vous condamne à un voyage sans retour. En amont d'une cascade, le courant s’accélère et, à partir d'un certain point, il n’est plus possible de nager assez vite à contre-courant pour ne pas être emporté. Un trou noir, pour sa part, déforme l’espace-temps à tel point qu’aucun objet, même se déplaçant à la vitesse de la lumière, ne peut s'échapper du piège gravitationnel une fois franchie une limite qualifiée d’horizon des événements.

Cette comparaison entre une chute d’eau et un trou noir est bien plus qu’une simple analogie : les équations mathématiques qui décrivent ces deux phénomènes, pourtant de natures très différentes, sont réellement similaires. De fait, des chercheurs ont entrepris d’étudier les propriétés des trous noirs à partir de dispositifs hydrodynamiques analogues, les « trous noirs acoustiques ». En 2016, Germain Rousseaux et Léo-Paul Euvé, du laboratoire Pprime à Poitiers, et d’autres collègues, avaient par exemple mis en évidence l’équivalent du rayonnement de Hawking d’un trou noir dans un courant d’eau. Les deux chercheurs ont aujourd'hui étudié par la même approche le concept de trou de ver, une structure hypothétique de l’espace-temps qui relierait deux régions distantes de l’Univers.

L’idée des trous noirs acoustiques a été formulée pour la première fois en 1981 par William Unruh, de l’université de Colombie-Britannique à Vancouver, au Canada. Il existe différentes façons de les construire et les physiciens les utilisent pour étudier certaines propriétés des trous noirs astrophysiques, inaccessibles autrement. Un des objectifs était d’étudier l’analogue du rayonnement de Hawking, imaginé par Stephen Hawking en 1974. En effet, les trous noirs ne sont pas aussi noirs qu’on le pense. Juste à l’extérieur de l’horizon des événements, des processus quantiques conduisent à l’émission de photons qui s'éloignent du trou noir. Ainsi, pour un observateur à bonne distance du trou noir, ce dernier semble émettre un rayonnement et perdre de l'énergie : il s’évapore. En 2016, Germain Rousseaux et ses collègues ont observé l’analogue de ce rayonnement dans un dispositif hydrodynamique constitué d’un écoulement turbulent dans un canal long de sept mètres. Le courant joue le rôle de l’espace-temps et les fluctuations de la surface de l'eau celui des ondes lumineuses qui s’y propagent. Un obstacle placé au fond du canal accélère le flot de sorte que des ondes qui remontent le courant finissent par être stoppées et ne se propagent pas en amont de l’obstacle. On crée ainsi l’analogue d’un trou blanc, l'hypothétique inversion d’un trou noir, c’est-à-dire une région de l’espace où rien ne peut pénétrer. Dans ce dispositif, l’analogue du rayonnement de Hawking est formé par les ondes réfléchies au niveau de l’obstacle et qui repartent vers l’aval.

Forts de ce résultat, les chercheurs de Poitiers se sont ensuite intéressés au trou de ver, une sorte de tunnel hypothétique dans le tissu de l’espace-temps reliant deux régions déconnectées de l’Univers. Cette idée n'est pas qu'une invention des auteurs de science-fiction pour régler le problème du voyage interstellaire : c'est bel et bien une solution mathématique possible des équations de la relativité générale, qui pourrait exister entre un trou noir et un trou blanc. Cependant, de nombreuses questions restent en suspens : les trous de vers peuvent-ils réellement se réaliser dans la nature ? Sont-ils stables ? Peuvent-ils être parcourus dans les deux sens ?

La question de la stabilité est cruciale. En effet, dans les premiers modèles, un trou de ver s’étire jusqu’à s’effondrer si rapidement sur lui-même qu’aucune forme d’information ne peut le traverser. Des trous de ver stables ont été obtenus dans d’autres modèles, mais ils font appel à de la matière exotique de nature inconnue (dotée d'une pression négative, comme l’énergie sombre). Par ailleurs, des solutions sont également recherchées dans le cadre de théories de gravité quantique, une formulation quantique de la relativité générale aux plus petites échelles, qui échappe pour l’instant aux physiciens.

Qu’en est-il des analogues hydrodynamiques des trous de ver ? Dans un courant avec un trou noir en amont d’un trou blanc, une onde peut évidemment circuler sans encombre dans le sens du courant. Elle entre dans le trou de ver par le trou noir et en émerge par le trou blanc en aval. Mais que se passe-t-il pour des ondes qui remontent le courant ? Lors de précédentes études, des chercheurs ont observé que la longueur d’onde des vagues diminue jusqu’à ce que les ondes soient bloquées au niveau du trou blanc et repartent vers l’aval. Cependant, si l’on considère les effets microscopiques de tension de surface de l’eau (qui pourraient être analogues  à des effets de gravité quantique dans le tissu de l’espace-temps), on observe que des ondes dites capillaires continuent de remonter le courant. Ces ondes sont rapidement dissipées par la viscosité du fluide et ne semblent pas pouvoir sortir du trou de ver par le trou noir. Pour le vérifier, Léo-Paul Euvé et Germain Rousseaux ont créé un analogue de trou de ver dans leur dispositif. Ils ont montré que, bien que l’onde capillaire soit fortement dissipée, elle atteint l’horizon du trou noir et ressort avec une longueur d’onde plus grande.

Ainsi, dans cet analogue d’un trou de ver, les ondes peuvent traverser le trou de ver dans les deux sens. Cependant, jusqu’où peut-on pousser l’analogie avec le cas astrophysique ? En effet, les trous blancs et les trous de ver astrophysiques restent hypothétiques et il n’est pas certain qu’ils puissent exister dans la nature. Nous sommes encore bien loin de savoir comment se comporte la relativité générale dans ces conditions extrêmes où le besoin d’une théorie quantique de la gravité se fait sentir. Peut-être les expériences sur les trous de ver analogues pourront-elles ouvrir des pistes pour élaborer des théories de gravité quantique.


Source : Pour la science
Crédit : shutterstock.com/vchal

n trou de ver est un objet théorique, solution des équations de la relativité générale, qui connecte deux régions éloignées de l'Univers.

LE GUIDE Naturellement

Agenda . . .

07 - Adèche

Du 1er mai au 15 novembre
Exposition "ENTRE TERRE ET EAU"

Crises sociales et environnementales dans le Delta du Danube en Roumanie, à la fin du Néolithique. A près de 2 000 km de l'Ardèche, comment se passe la fin de la Préhistoire au bord du fleuve et de la Mer Noire ? Une exposition franco-roumaine inédite, interactive et immersive, à découvrir à la Cité de la Préhistoire !

Grand Site de l’Aven d’Orgnac
Place Robert de Joly
07150 Orgnac–L’Aven
04 75 38 65 10
www.orgnac.com


Du 20 octobre au 4 novembre
Démonstration "LES SECRETS DU FEU"

Un animateur de la Cité de la Préhistoire vous dévoile les différentes techniques d’allumage du feu à la manière préhistorique, bien avant l’invention du briquet : en frottant des cailloux ou du bois, tout simplement !
Durée : 30 min. De 11h45, 14h et 16h45.

Grand Site de l’Aven d’Orgnac
Place Robert de Joly
07150 Orgnac–L’Aven
04 75 38 65 10
www.orgnac.com


Du 20 octobre au 4 novembre
Visite spéciale Famille "LE COFFRE MYSTÉRIEUX"

Venez explorer la préhistoire autrement en partant à la recherche d’un mystérieux objet préhistorique dans la Cité. Un voyage dans le Temps pour petits et grands, qui devront revêtir les habits et ustensiles de nos
ancêtres pour traverser les âges anciens. Accompagnés par un archéologue et sa machine à remonter le Temps, saurez vous résoudre l’énigme ?
Durée : 1h15. A partir de 5 ans.

Grand Site de l’Aven d’Orgnac
Place Robert de Joly
07150 Orgnac–L’Aven
04 75 38 65 10
www.orgnac.com


14 - Calvados

Jusqu’au 29 février 2020
Exposition
"LES REQUINS ! 430 MILLIONS D’ANNÉES D’ÉVOLUTION"

Découvrez la grande diversité des requins, allant d’espèces de petites tailles, jusqu’aux poissons géants dont les dents sont plus grandes qu’une main humaine.
Cette exposition évoque également le grand danger auquel ils sont confrontés : l’Homme. Venez découvrir de nouvelles espèces et apprendre en vous amusant grâce à une fresque digitale.

Paléospace
Avenue Jean Moulin
14640 Villers-sur-Mer
02 31 81 77 60
www.paleospace-villers.fr


21 - Côte d'Or

Jusqu’au 6 janvier 2019
Exposition "GRAINES"

Elles sont partout… Du petit-déjeuner au coucher, dans nos vêtements, dans notre alimentation, dans nos parcs et jardins… sans même y penser elles font partie de notre quotidien et sont un pilier de la biodiversité végétale.
Cette nouvelle exposition, très ludique, propose à tous les visiteurs de découvrir une grande variété de graines d’ici et d’ailleurs et de s’interroger sur leurs enjeux dans un contexte de changement climatique et sociétal.

Le Jardin des sciences
Parc de l’Arquebuse
21000 Dijon
03 80 48 82 00
www.dijon.fr


Jusqu’au 31 mars 2019

Exposition de plein air
"IMPACTS ! HOMME-NATURE"

Venez découvrir les relations homme-nature au plus près du vivant !
De l’évolution du comportement animal à celui du climat et des milieux naturels, les chercheurs de Bourgogne et de Franche-Comté tentent de comprendre le rôle de l’Homme dans ces changements. Traversez ville, campagne et forêt et voyagez jusqu’aux pôles pour observer ces recherches in vivo !

Le Jardin des sciences
Parc de l’Arquebuse
21000 Dijon
03 80 48 82 00
www.dijon.fr


41 - Loir et Cher

Jusqu'au 31 décembre
LES JARDINS DE CHAMBORD

Le château a retrouvé en 2017 ses jardins à la française du XVIIIe siècle avec six hectares et demi au pied de la façade nord du château : plus de 600 arbres, 800 arbustes, 200 rosiers, 15 250 plantes...

Office de Tourisme de Blois-Chambord
23 place du château
41000 Blois
02 54 90 41 41
http://www.bloischambord.com


49 - Maine et Loire

Du 20 octobre au 4 novembre
"CONTES ET RACONTÉES SPÉCIAL 3-9 ANS"

Les raconte-tapis débarquent au Bioparc pour plonger les enfants dans l’univers des contes animaliers ! Réunis autour de ces magnifiques créations tissées mains animées par nos soigneurs, les enfants découvrent le terrain d’aventure des personnages de l’histoire.

Bioparc Doué la Fontaine
103 rue de Cholet
49700 Doué-en-Anjou
02 41 59 18 58
www.bioparc-zoo.fr


61 - Orne

Du 13 octobre au 23 décembre
Exposition : "LES HAIES", Joël Auxenfans

Ecomusée du Perche
Prieuré de Sainte-Gauburge
61130 Saint-Cyr-la-Rosiere
02 33 73 48 06
www.ecomuseeduperche.fr


76 - Seine Maritime

Du 15 septembre au 15 décembre
Exposition "L’abbé Pierre photographe, un regard sur le monde"

L'exposition présente soixante-dix photographies inédites prises par l’abbé Pierre lui-même dans de nombreux pays. Elles témoignent de la vitalité des personnes pauvres dans le monde et dévoilent le regard lucide et plein d’amour.

Centre abbé Pierre - Emmaüs
Route d'Emmaüs
76690 Esteville
02 35 23 87 76
www.centre-abbe-pierre-emmaus.org


87 - Haute-Vienne

Du 1er avril au 4 novembre
Exposition : « L’ÉLOGE DE L’ÉTRANGE ET DE L’INCOMPRIS »

Une revisite du Cabinet des Curiosités par 7 artistes qui explorent des thèmes à la fois scientifiques et naturalistes, mais aussi oniriques et bouleversants, merveilleux et revendiquant.

La Cité des insectes
Chaud 87120 Nedde
05 55 04 02 55
www.lacitedesinsectes.com


31 octobre
LA CHASSE D’HALLOWEEN AUX PETITES BÊTES !

La Chasse d’Halloween aux petites bêtes ! Avec dégustation d’insectes ! des cadeaux pour tout le monde mais surtout la famille la mieux déguisée recevra une belle surprise.

La Cité des insectes
Chaud 87120 Nedde
05 55 04 02 55
www.lacitedesinsectes.com

Lieux:

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