Des physiciens de l’Université de Glasgow et de l’Université d’Arizona ont vérifié expérimentalement une théorie vieille d’un demi-siècle, qui n’était au départ qu’une spéculation sur la façon dont une civilisation extraterrestre avancée pourrait utiliser un trou noir en rotation pour générer de l’énergie.
Une impression d’artiste d’un trou noir en rotation. Crédit image : Sci-News.com.
En 1969, le physicien mathématicien britannique Roger Penrose a proposé une méthode pour extraire l’énergie d’un trou noir en rotation, connue aujourd’hui sous le nom de superradiance de Penrose.
Il a suggéré qu’une civilisation très avancée, peut-être extraterrestre, pourrait un jour être capable d’extraire l’énergie d’un trou noir en rotation en abaissant puis en libérant la masse d’une structure qui est en co-rotation avec le trou noir.
En 1971, le physicien théorique biélorusse Yakov Zel’dovich a traduit cette idée de superradiance rotationnelle d’un trou noir en rotation à celle d’un absorbeur en rotation tel qu’un cylindre métallique.
Il a proposé que les ondes lumineuses “tordues”, frappant la surface d’un cylindre rotatif tournant à la bonne vitesse, finissent par être réfléchies avec une énergie supplémentaire extraite de la rotation du cylindre grâce à une bizarrerie de l’effet Doppler rotationnel.
Mais l’idée de Zel’dovich est restée uniquement dans le domaine de la théorie depuis 1971 car, pour que l’expérience fonctionne, un cylindre métallique proposé devrait tourner au moins un milliard de fois par seconde.
Schéma de l’expérience de l’équipe : 16 haut-parleurs sont disposés en anneau (diamètre – 0,47 m) pour créer un champ acoustique OAM, canalisé par des guides d’ondes acoustiques vers une zone plus petite (diamètre – 0. 19 m) et incident sur un disque rotatif en mousse absorbante (S) ; le disque absorbant porte également deux microphones (M) très rapprochés (distance de 2 cm) ; les microphones transmettent leurs données via Bluetooth pour une acquisition de données en direct pendant la rotation ; les encarts indiquent les différentes configurations utilisées dans les expériences pour le disque rotatif et la mousse absorbante : encart de gauche, le disque de support avec les microphones et l’absorbeur sont en co-rotation ; encart de centre gauche, l’absorbeur est détaché et reste statique, tandis que les microphones tournent ; encart de centre droit, l’absorbeur est placé devant un seul des deux microphones ; encart de droite, l’absorbeur est complètement retiré, et les microphones tournent. Crédit image : Cromb et al, doi : 10.1038/s41567-020-0944-3.
Maintenant, le professeur Daniele Faccio, le professeur Miles Padgett et leurs collègues ont finalement créé un système qui utilise un petit anneau de haut-parleurs pour créer une torsion dans les ondes sonores analogue à la torsion dans les ondes lumineuses proposée par Zel’dovich.
Ces ondes sonores tordues ont été dirigées vers un absorbeur de son rotatif fait d’un disque de mousse.
Un ensemble de microphones situés derrière le disque a capté le son provenant des haut-parleurs lorsqu’il passait à travers le disque, qui augmentait régulièrement la vitesse de sa rotation.
Ce que les auteurs cherchaient à entendre pour savoir si les théories de Penrose et Zel’dovich étaient correctes, c’était un changement distinctif de la fréquence et de l’amplitude des ondes sonores lorsqu’elles traversaient le disque, causé par cette bizarrerie de l’effet Doppler.
“La version linéaire de l’effet Doppler est connue de la plupart des gens comme le phénomène qui se produit lorsque la hauteur de la sirène d’une ambulance semble augmenter lorsqu’elle s’approche de l’auditeur, mais diminue lorsqu’elle s’éloigne”, a déclaré le premier auteur, Marion Cromb, étudiante en doctorat à l’école de physique et d’astronomie de l’Université de Glasgow.
“Elle semble augmenter parce que les ondes sonores atteignent l’auditeur plus fréquemment lorsque l’ambulance s’approche, puis moins fréquemment lorsqu’elle s’éloigne.passe.”
“L’effet Doppler rotationnel est similaire, mais l’effet est confiné à un espace circulaire.”
“Les ondes sonores tordues changent de hauteur lorsqu’elles sont mesurées du point de vue de la surface en rotation. Si la surface tourne assez vite, alors la fréquence du son peut faire quelque chose de très étrange – elle peut passer d’une fréquence positive à une fréquence négative, et ce faisant, voler de l’énergie à la rotation de la surface.”
Au fur et à mesure que la vitesse de rotation du disque augmente pendant l’expérience, la hauteur du son émis par les haut-parleurs diminue jusqu’à devenir trop faible pour être entendu.
Ensuite, la hauteur du son remonte jusqu’à ce qu’il atteigne sa hauteur précédente, mais plus fort, avec une amplitude jusqu’à 30% supérieure à celle du son original provenant des haut-parleurs.
“Ce que nous avons entendu pendant notre expérience était extraordinaire”, a déclaré M. Cromb.
“Ce qui se passe, c’est que la fréquence des ondes sonores est décalée par effet Doppler vers zéro à mesure que la vitesse de rotation augmente.”
“Quand le son revient, c’est parce que les ondes ont été déplacées d’une fréquence positive à une fréquence négative.”
“Ces ondes de fréquence négative sont capables de prendre une partie de l’énergie du disque de mousse en rotation, devenant ainsi plus fortes – tout comme Zel’dovich l’a proposé en 1971.”
“Nous sommes ravis d’avoir pu vérifier expérimentalement une physique extrêmement étrange un demi-siècle après que la théorie ait été proposée pour la première fois”, a déclaré le professeur Faccio.
Les travaux de l’équipe ont été publiés dans la revue Nature Physics.
