Hafsatu Garba, 13 ans, qui vient de sortir des toilettes de son école, se lave les mains, aidée par une amie.
La scène se déroule à Konkiyel Village, au Nigeria.
© Unicef/HQ07/Chrstine Nesbitt

A la stupéfaction générale en 1974, Stephen Hawking démontrait que les trous noirs ne l’étaient pas vraiment si l’on tenait compte des effets de la mécanique quantique. Cependant, le rayonnement Hawking des trous noirs n’a toujours pas été détecté et des incertitudes théoriques restent à son sujet. En réussissant à simuler l’horizon des trous noirs dans une fibre optique des chercheurs pensent observer l’analogue de ce rayonnement dans peu de temps.

En cherchant à prouver que l’on ne pouvait associer une entropie à un trou noir comme le proposait Jacob Bekenstein, Stephen Hawking a fait sa fameuse découverte qui l’a rendu mondialement célèbre. Bekenstein avait en fait raison et, lorsque l’on applique la théorie des champs quantiques en espace-temps courbes à un trou noir, on trouve que celui-ci doit rayonner comme un corps noir avec une température inversement proportionnelle à la masse du trou noir.

Malheureusement, cette température est bien en dessous de celle du rayonnement fossile dans le cas des trous noirs stellaires, sans parler des trous noirs galactiques qui, au lieu de peser quelques fois la masse du Soleil comme les précédents, sont des millions à des milliards de fois plus lourds. Ainsi, non seulement le rayonnement de ces trous noirs est-il incroyablement faible mais, leur température étant plus basse que celle du rayonnement de fond diffus étudié finement par WMap, ils absorbent du rayonnement (celui du fond diffus) plutôt que d’en émettre !

Sous réserve bien sûr que le rayonnement Hawking existe... Or, même s’il semble inévitable lorsque l’on cherche à rendre compatible la relativité générale, la thermodynamique et la mécanique quantique, bien des zones d’ombres existent dans la dérivation théorique de celui-ci.

De même que les chercheurs peuvent simuler le comportement hydrodynamique des écoulements d’air autour d’une maquette, ou la génération du champ magnétique de la Terre en laboratoire avec l’expérience VKS, il serait du plus haut intérêt de pouvoir simuler un trou noir par un phénomène physique facile à observer en laboratoire et reposant sur des équations mathématiques analogues à celles décrivant un trou noir et le rayonnement Hawking.



Cette stratégie a été proposée il y a longtemps déjà par William Unruh qui, en 1981, démontrait qu’un écoulement supersonique pouvait en théorie reproduire l’analogue de l’horizon d’un trou noir et qu’une sorte de rayonnement Hawking en découlerait sous forme de quanta d’ondes sonores.

Pour se faire une idée de cette situation, rappelons qu’un trou noir n’est pas défini par l’existence d’une singularité mais par celle d’un horizon entourant une région de l’espace et l’isolant complètement de toute communication vers l’extérieur (un signal quittant cette région devrait dépasser la vitesse de la lumière).

Dans un écoulement d’air supersonique dans une tuyère, il peut exister une région du fluide de laquelle aucune onde sonore ne puisse sortir, précisément à cause de la vitesse supersonique des écoulements. En considérant la vitesse du son comme une analogue de la vitesse de la lumière, on obtient des conditions qui ressemblent à celles d'un trou noir.

On peut appliquer à l’équation du son les règles de la mécanique quantique, tout comme à l’équation de la lumière qui lui ressemble beaucoup. Il apparaît alors des quanta d’énergie sonique analogues aux quanta de lumière que sont les photons. Comme il s’agit ici de son, on parlera tout naturellement de phonons et, au lieu d’avoir un trou noir, on aura un trou sourd (on parle aussi de trou noir acoustique), susceptible d'émettre un rayonnement sonique de corps noir.

Tout se passe alors bien comme pour un trou noir et si l’on trace un diagramme d’espace-temps, comme celui de la figure 1, le trou sourd peut se voir comme une zone entourée d’un horizon (région grise) avec des paires de phonons-anti phonons apparaissant et disparaissant par fluctuations tout autour de l’horizon.

Un des phonons se dirigera vers l’horizon et, pénétrant à l’intérieur du trou sourd, il ne pourra plus en sortir, l'autre quittera alors le voisinage de l'horizon pour être éventuellement absorbé par un capteur au loin.

D’autres analogies hydrodynamiques sont éclairantes et valent la peine d’être mentionnées. La plus célèbre est celle de la cascade peuplée de poissons pouvant se déplacer avec une vitesse maximale c (elle est représentée sur la figure 2).

Si l’on considère la vitesse v de l’écoulement de l’eau, celle-ci augmente au fur et à mesure que l’on se rapproche de la cascade, qui peut être vue comme la singularité au sein de la solution classique de Schwarzschild décrivant un trou noir. Lorsque la vitesse v dépasse la vitesse maximale c des poissons, peu avant d’arriver à la cascade, on obtient un horizon de non retour pour les poissons au-delà duquel ils ne peuvent plus s’échapper et finiront inévitablement par tomber dans la cascade.

De même qu’il existe des trous noirs, il existe des trous blancs avec une frontière impénétrable de l’extérieur pour des particules. Un trou blanc émettra donc sans cesse de la matière sans jamais en absorber et repoussera toute particules cherchant à y pénétrer.

On peut réaliser facilement un trou blanc chez soi avec un jet d’eau tombant dans un évier. La vitesse de l’écoulement de l’eau sera plus grande que celles d’ondes perturbant cet écoulement à l’intérieur d’une zone circulaire. Brutalement, sur l’analogue d’un horizon, les vitesses de ces ondes devenant plus importantes que celle de l’eau, celles-ci seront clairement visibles, comme on peut le constater sur la figure 3.

En fait, la réalisation d’un trou noir acoustique et l’observation d’un rayonnement Hawking analogue avec celui-ci sont très difficiles en pratique. Toutefois, on a vu que les caractéristiques liées aux trous noirs sont modélisables par des fluides, comme John Wheeler l’avait fort bien compris. En effet, les équations non-linéaires de la mécanique des fluides donnent lieu à des phénomènes analogues à ceux de la géométrie de l’espace-temps gouvernés eux aussi par des équations non linéaires, celles d’Einstein.

Or, comme on l’a vu récemment avec le phénomène des vagues scélérates, on peut simuler de l’hydrodynamique non linéaire avec de l’optique non linéaire dans des fibres optiques. C’est pourquoi un groupe de chercheurs travaillant à l’Université St Andrews a décidé d’étudier la question de la réalisation d’un trou noir optique analogue d’un trou noir dans une fibre optique

L’équipe de Ulf Leonhardt s’est attelé au problème et, lui et ses collègues ont effectivement prouvé que cela pouvait se faire et l’ont même réalisé !

L’idée est simple, en envoyant un certain type d’impulsion laser dans une fibre optique, celle-ci modifie tout autour d’elle l’indice de la fibre optique. Or celui-ci est fonction de la vitesse limite à laquelle une onde lumineuse de fréquence donnée peut se propager. Cette modification d’indice se déplace avec l’impulsion lumineuse dans la fibre et cesse lorsque l’impulsion n’occupe plus une certaine région.

Si l’on envoie une seconde impulsion mais différente de la première, sa vitesse sera plus importante ou plus faible dans la fibre que la nouvelle vitesse de propagation d’une onde lumineuse de fréquence donnée au voisinage de la première impulsion. La première impulsion crée donc un horizon analogue aux exemples de trou sourd, cascade et jet dans un évier. Elle détermine autour d’elle une zone limite pour la propagation des autres ondes lumineuses et qu’elle transporte avec elle dans la fibre.

De sorte qu’en mesurant ce qui se passe pour les photons de la seconde impulsion on trouve, comme les chercheurs l’ont observé, soit qu’il traverse l’horizon et sont absorbés sans jamais en ressortir soit qu’ils sont toujours réfléchis par l’horizon. Dans le premier cas, on est en présence d’un trou noir optique, et, dans le second, d’un trou blanc optique.

Après cette première étape, reste à observer l'analogue de l'effet Hawking. Les chercheurs sont particulièrement intéressés par ce qui se passera pour de très courtes longueurs d'ondes, celles se rapprochant de la taille des atomes composant la fibre par exemple.

En effet, certains pensent que l'on peut ainsi, non seulement tester les équations et les calculs de l'effet Hawking, mais aussi découvrir des effets subtils en liaison avec l'hypothèse d'une structure granulaire de l'espace-temps.

Plus généralement, il y a beaucoup de choses que nous ne comprenons pas dans le domaine de la gravitation quantique appliquée aux trous noirs. Ces simulations pourraient donc nous aider à y voir plus clair et à extraire expérimentalement des équations des éléments que nous ne voyons encore pas sur le plan théorique.

Des joints aux vêtements, ce caoutchouc artificiel au sein duquel les petits accrocs se referment d'eux-mêmes promet d'innombrables applications. Ce matériau étonnant, qui vient d'être présenté par une équipe française, n'est pas conventionnel : il est constitué de réseaux de molécules liées entre elle. On parle de matériau supramoléculaire.


Un coup de canif sur ce caoutchouc et la blessure se referme complètement après un simple massage, comme avec de la pâte à modeler. On peut même, comme le montre la vidéo, couper en deux un cordon fait de cette matière molle et le reconstituer ensuite, sans colle et sans laisser de point de faiblesse à l'endroit de la coupure... Ce surprenant matériau vient d'être présenté par l'équipe du laboratoire Matière molle et chimie (une unité commune au CNRS et à l'ESPCI, Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles, Paris) et fait l'objet d'une publication dans la revue Nature. L'équipe est dirigée par Ludwik Leibler, qui fut collaborateur de Pierre-Gilles de Gennes, illustre amateur de matière molle.


Depuis longtemps, les scientifiques cherchent des pistes pour réaliser ce rêve d'ingénieur, qui ferait disparaître sans intervention les rayures, les fissures, les criques, les coupures et autres accrocs que les organismes vivants savent si bien réparer.


Des solutions ont été imaginées, notamment pour des matériaux durs, et parfois sophistiquées. Mais l'équipe de Ludwik Leibler explore une autre voie : celles des matériaux supramoléculaires. En 1987, l'étude de ces structures a valu le prix Nobel au Français Jean-Marie Lehn et aux Américains Donald J. Cram et Charles J. Pedersen. Une chimie complètement nouvelle était née, que Jean-Marie Lehn a proposé d'appeler supramoléculaire.

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Quand les deux morceaux du cordon coupé sont approchés, des liaisons hydrogène se mettent en place au niveau de la jointure. Elles sont de la même nature que celle assurant la cohésion du matériau lui-même : la cicatrisation est parfaite.


Jouer au Lego avec les molécules

Alors que la chimie traditionnelle manipule les liaisons entre atomes, la chimie supramoléculaire tire profit des liaisons intermoléculaires, de nature physique et non chimique (comme la liaison hydrogène qui lie entre elles les molécules d'eau). On peut ainsi construire des édifices de grande taille (à l'échelle nanométrique) dans lesquels les molécules s'accrochent entre elles ou s'imbriquent les unes dans les autres. Avec les enzymes et les multiples récepteurs sur la membrane des cellules, la vie utilise la chimie supramoléculaire mais ces phénomènes sont peu présents dans le monde minéral. « C'est une chimie qui n'est pas souvent utilisée dans l'univers, nous pouvons grâce à elle imaginer des structures inédites » expliquait Jean-Marie Lehn après son prix Nobel.


Cette nouvelle chimie a depuis essaimé dans plusieurs domaines, jusqu'à l'électronique. Le laboratoire Matière molle et chimie l'utilise pour réaliser des matériaux aux propriétés innovantes. Avec des acides gras organiques (d'origine végétale) et de l'urée, les chercheurs sont parvenus à créer des liens intermoléculaires. Des groupes azotés (amides et imidazolidones) s'installent sur les acides gras et favorisent les liaisons hydrogène entre molécules. Celles-ci peuvent alors s'enchaîner pour former de longues structures, ressemblant à un polymère. Mais ici la cohésion est assurée par les liaisons hydrogène et non des liaisons chimiques.


Des jouets, des joints, des peintures...


Cette structure explique la cicatrisation : quand les deux bords de la plaie sont appliqués l'un contre l'autre, les liaisons hydrogène se reforment entre les molécules et le matériau retrouve son intégrité complète. La réparation n'impose pas d'appliquer une force importante, une élévation de température ou la présence d'un catalyseur, comme c'est le cas avec d'autres matériaux expérimentaux capables de cicatrisation. La seule condition est que les bords de la plaie restent en contact sous l'effet d'une faible pression, ce qui est possible puisque le matériau reste mou. En effet, les acides gras portent soit deux soit trois fonctions azotées et ne prennent donc pas tous la même forme, interdisant la cristallisation.









Avec des liaisons non-covalentes (donc pas de nature chimique), qui accrochent les motifs noirs, rouges et bleus sur ce schéma, on obtient un matériau dont les propriétés ressemblent à celles d'un polymère (qui, lui, est formé de molécules chimiquement soudées entre elles).

Ce jeu d'assemblage ouvre un monde de possibilités nouvelles, exploré par la chimie supramoléculaire, une jeune science de vingt ans.
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© ESPCI











« Tout ce qui travaille dans la compression, comme les joints de structure, les revêtements susceptibles de se rayer, est concerné, explique Ludwik Leibler à l'AFP. Si vous percez un joint d'étanchéité dans un mur, il va se réparer tout seul. » Les applications potentielles sont donc nombreuses. Dans la revue Nature, Ludwick Leiber confie qu'il rêve de voir son matériau utilisé pour fabriquer des jouets « parce que les enfants adorent casser les objets ».



Le rêve n'est peut-être pas loin car le laboratoire a signé un accord avec Arkema, un groupe français de chimie. Les applications vont bien au-delà des jouets. Des vernis et des adhésifs sont au programme, ainsi que des matières plastiques biodégradables.




Deux feuilles de ce nouveau matériau, approchées l'une contre l'autre, ne feront bientôt plus qu'une...
© François Tournilhac/Ludwik Leibler ESPCI/CNRS


Par Jean-Luc Goudet - Futura-Sciences