Un laboratoire observe l’effet d’extraction d’énergie d’un trou noir sans objet en rotation

Des chercheurs ont pour la première fois observé un régime de Floquet de superradiance rotationnelle en laboratoire, démontrant le processus de Penrose-Zel'dovich, théorisé depuis longtemps, en utilisant un réseau d'anneaux modulé spatio-temporellement plutôt qu'un trou noir en rotation. Les résultats, publiés dans Nature le 8 juillet, confirment que les ondes possédant les propriétés rotationnelles appropriées peuvent extraire de l'énergie d'un système en rotation et en ressortir amplifiées.nature+2

De la théorie astrophysique à l'expérience de paillasse

Le processus de Penrose, proposé par Roger Penrose en 1969, décrit comment de l'énergie pourrait être extraite de l'ergosphère d'un trou noir en rotation. Yakov Zel'dovich a étendu cette idée au début des années 1970, prédisant que tout absorbeur en rotation pourrait amplifier les ondes électromagnétiques transportant un moment cinétique, à condition que l'objet tourne assez vite. Pendant des décennies, l'effet est resté hors de portée expérimentale.phys+1

Les nouveaux travaux, dirigés par Hadiseh Nasari, Hady Moussa de la Photonics Initiative du CUNY Advanced Science Research Center, et Andrea Alù, évitent le besoin d'un objet physiquement en rotation. Au lieu de cela, l'équipe a conçu un réseau d'anneaux avec une modulation spatio-temporelle, simulant efficacement la rotation par des changements minutés des propriétés du système. Cette approche de Floquet a permis aux chercheurs d'observer l'amplification superradiante de modes électromagnétiques, vérifiant la prédiction centrale selon laquelle un milieu en rotation peut transférer de l'énergie à des ondes diffusées.nature+1

S'appuyer sur des percées antérieures

Le résultat prolonge une série de progrès expérimentaux. En 2020, Marion Cromb et ses collègues de l'Université de Glasgow ont vérifié un aspect clé du processus de Penrose en utilisant des ondes sonores torsadées et un disque de mousse rotatif, publiant leurs conclusions dans Nature Physics. Plus tôt cette année, une équipe distincte a démontré une instabilité de « bombe de trou noir » électromagnétique en utilisant un cylindre métallique rotatif couplé à un résonateur, confirmant l'amplification exponentielle de l'effet Zel'dovich.iflscience+4

L'approche de Floquet rapportée aujourd'hui diffère en éliminant complètement la rotation mécanique, s'appuyant plutôt sur un mouvement synthétique créé par des paramètres électromagnétiques variant dans le temps. Cela ouvre de nouvelles voies pour étudier la superradiance rotationnelle dans les systèmes photoniques compacts.

Implications pour la physique et la technologie

L'expérience fait le pont entre la théorie astrophysique et l'ingénierie photonique. Bien que l'extraction d'énergie d'un véritable trou noir reste bien au-delà des capacités actuelles, la compréhension de la superradiance dans des environnements contrôlés pourrait éclairer la conception de nouveaux amplificateurs et générateurs. Ces travaux fournissent également une plateforme pour explorer des questions plus profondes sur les interactions onde-matière dans des référentiels en rotation, des questions qui, jusqu'à présent, ne pouvaient être explorées que par les mathématiques et l'observation astronomique lointaine.