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Science des analogues : gravitation et cosmologie analogues, Germain Rousseaux (07/02/2023)
Regard croisé avec le Panel « Systèmes complexes » et la thématique de l’Hydrodynamique Physique puisqu’une des plates-formes françaises en Gravitation Analogue utilise l’hydrodynamique classique (Institut Pprime). Autres plate-formes françaises : condensat de Bose-Einstein (Laboratoire Charles Fabry), fluide quantique de lumière (LKB), acoustique (LAUM)…
https://link.springer.com/article/10.12942/lrr-2011-3
https://royalsocietypublishing.org/toc/rsta/2020/378/2177?_gl=1*kgv1ng*_ga*MTM5ODg1MzM5NC4xNjc1NzU2NjIy*_ga_1L4MRBLQC4*MTY3NTc1NjYyMS4xLjAuMTY3NTc1NjYyMS42MC4wLjA.&_ga=2.104726087.651488361.1675756622-1398853394.1675756622
http://philsci-archive.pitt.edu/20365/
https://arxiv.org/abs/2212.08838
https://www.benasque.org/2023ag/
La Gravitation et la Cosmologie Analogues ont pour ambition de reproduire des phénomènes astrophysiques en laboratoire comme le rayonnement des trous noirs connu sous le nom d’effet Hawking ou la création de particules dans un univers en expansion. En effet, selon une prédiction de Stephen Hawking datant de 1974, les trous noirs devraient émettre spontanément de la lumière à cause des propriétés quantiques des fluctuations du vide alors que classiquement ces objets très massifs devraient empêcher même la lumière de s’en échapper. Comme ils sont en mesure d’émettre de la lumière, il a été découvert que les trous noirs étaient des objets thermodynamiques caractérisés par une température donnée. Cependant, la température des trous noirs astrophysiques est de plusieurs ordres de grandeur plus faible que la température du fond diffus cosmologique, la faible lueur issue du Big Bang, ce qui implique qu’une observation du rayonnement de Hawking en astrophysique est presque impossible. En 1981, William Unruh de l’Université de Colombie-Britannique, a eu l’idée dans son articledans Physical Review Letters intitulé Experimenting Black Hole evaporation ? que cette prédiction devrait s’appliquer de la même manière à des trous noirs dits “analogues” tels qu’un siphon hydraulique dans une baignoire qui piège les vagues lorsque la vitesse du fluide atteint la vitesse des ondes longues de gravité. Grâce aux travaux de Unruh et d’autres chercheurs, il a été compris qu’il y avait de nombreuses similitudes entre la propagation d’une onde acoustique dans un fluide en mouvement et la propagation d’une onde lumineuse dans un espace-temps courbe. En particulier, en acoustique, on peut introduire un tenseur métrique qui rend compte de la courbure effective que rencontre une onde acoustique dans un fluide dont la vitesse moyenne n’est pas nulle : le tenseur métrique devient une fonction explicite de la vitesse du milieu en mouvement. Ainsi en faisant varier une métrique avec l’espace (Gravitation Analogue) ou le temps (Cosmologie Analogue), le laboratoire devient donc un nouveau terrain de jeu pour les physiciens souhaitant tester des prédictions astrophysiques et manipuler des espaces-temps analogues.
Gravité analogue. Défauts topologiques. Sébastien Fumeron (07/02/2023)
- Gravité analogue
La gravité analogue a pour objectif d'étudier théoriquement et expérimentalement des phénomènes relevant de la relativité générale à partir de systèmes physiques équivalents consistant en des champs basse énergie dans la matière condensée. De telles situations concernent par exemple les analogues de trous noirs à partir d'hélium superfluide (Novello, Visser, Volovik), le rayonnement de Hawking à partir d'ondes acoustiques dans un fluide en mouvement (Rousseaux, Unruh, Visser) ou encore les cosmologies de type FLRW à partir de condensats de Bose-Einstein [1]. Ces analogies offrent de nouvelles façons d'aborder les problèmes, permettent d'établir des ponts entre différents domaines de la physique et peuvent créer des opportunités permettant la réalisation d'expériences de cosmologie en laboratoire.
- Défauts topologiques
Dans les scénarii de grande unification, des transitions de phase dans l'univers primordial ont donné lieu à des défauts topologiques de dimension 1 appelés cordes cosmiques [2]. Ces objets pourraient jouer un rôle clé dans la formation des grandes structures et contribuer au secteur sombre. En raison de leurs multiples manifestations observationnelles (effet Kaiser-Stebbins, effet de lentille…), ces objets sont activement recherché (collaboration Planck). Dans les années 1990, des travaux ont montré que la formation de tels défauts est régie par un processus de nucléation, le mécanisme de Kibble-Zurek, identique à celui régissant la formation de défauts topologiques dans les cristaux liquides, et que la géométrie non-euclidienne autour d'une corde cosmique a la même forme que la géométrie autour d'une disinclinaison.
[1]. Barceló, C., Liberati, S., Visser, M. (2011). Analogue Gravity. Living Reviews in Relativity. 14 (3): 3.
[2]. Vilenkin, A., Shellard, E.P.S. (1994). Cosmic strings and other topological defects. Cambridge University Press.