Effet Zel’dovich : des chercheurs déclenchent une “bombe à trou noir”… et c’est une excellente nouvelle !

L’idée de puiser de l’énergie dans un trou noir semblait
tout droit sortie de la science-fiction. Et pourtant, pour la
première fois, des physiciens ont réussi à reproduire ce mécanisme
— appelé effet Zel’dovich — en laboratoire. Cette démonstration
expérimentale, qui imite le vol d’énergie d’un trou noir en
rotation, confirme une prédiction vieille de cinquante ans et
pourrait ouvrir de nouvelles pistes en physique
fondamentale.

Du processus de
Penrose à l’effet Zel’dovich

En 1969, Roger Penrose
proposa un moyen théorique d’extraire l’énergie de rotation d’un
trou noir de Kerr : en plongeant un objet dans son ergosphère (la
région juste à l’extérieur de l’horizon des événements), en le
fractionnant, puis en récupérant la partie échappée avec plus
d’énergie qu’elle n’en avait initialement. Le trou noir, absorbant
le fragment à énergie négative, perdait ainsi de la masse-énergie :
c’était le processus de Penrose.

Quelques années plus
tard, le physicien Yakov Zel’dovich imagina un analogue plus
accessible : au lieu d’un trou noir, un simple objet en rotation,
et à la place d’un fragment, une onde électromagnétique ou sonore.
Lorsqu’une onde portant un moment angulaire frappe une surface
tournante assez vite, elle peut ressortir amplifiée, ayant « volé »
une partie de la rotation de l’objet. Cet effet de superradiance
était connu comme effet Zel’dovich, mais restait jusqu’alors
théorique.

Des ondes sonores à
la première preuve électromagnétique

La première
vérification pratique de l’effet Zel’dovich intervint avec des
ondes sonores : on fit rebondir des “vagues” torsadées sur un
disque en rotation rapide, et l’on observa un gain d’énergie
conforme à la théorie. Mais le véritable défi était de reproduire
cet effet avec des ondes électromagnétiques — plus proches de la
lumière qui vrille autour des trous noirs.

C’est là qu’est
intervenu un cylindre d’aluminium mis en rotation mécanique. En
envoyant un faisceau d’ondes électromagnétiques porteur de moment
angulaire (des ondes dites “torsadées”) sur ce cylindre, les
chercheurs ont contrôlé deux paramètres clés :

1. La vitesse de
   rotation, suffisamment élevée pour provoquer un décalage Doppler
   rotationnel au point que la fréquence perçue devienne négative.

2. Un circuit résonant
   couplé au cylindre, servant de boîte de résonance pour piéger et
   renforcer les ondes amplifiées.

Lorsque la fréquence
des ondes, vue depuis la surface en rotation, franchit le seuil
critique, l’absorption devient négative, c’est-à-dire que l’onde
ressort plus énergétique qu’elle n’est entrée : la rotation du
cylindre a été partiellement transférée à l’onde. C’est la toute
première démonstration expérimentale de l’effet Zel’dovich pour des
ondes électromagnétiques.

La « bombe à trou
noir » analogique

Fort de ce succès,
l’équipe s’est lancée dans la réalisation d’un analogue de la “bombe à trou
noir” imaginée par William Press et Saul Teukolsky : un dispositif
où l’onde amplifiée est renvoyée vers le cylindre pour être
amplifiée à nouveau, et ainsi de suite, conduisant à une
instabilité explosive.

En associant le
cylindre tournant à un résonateur à faibles pertes, les ondes
générées spontanément par le bruit ambiant ont subi une
amplification exponentielle. Le système est devenu un générateur,
puis un véritable feu d’artifice d’ondes électromagnétiques. Cette
“bombe” ne vole pas littéralement l’énergie d’un trou noir, mais
illustre parfaitement comment la rotation peut nourrir un signal et
l’amplifier sans cesse.

Pourquoi c’est
important

Pendant longtemps, l’effet Zel’dovich a été considéré comme une
curiosité purement théorique, presque anecdotique dans le paysage
de la physique. Aujourd’hui, grâce à cette expérience en
laboratoire, ce phénomène entre dans la catégorie des réalités
physiques démontrées. C’est une avancée majeure : non seulement
elle confirme une prédiction vieille d’un demi-siècle, mais elle
renforce également notre compréhension de la superradiance, un
processus fondamental par lequel de l’énergie peut être extraite
d’un système en rotation.

Si l’effet Zel’dovich est bel et bien actif dans l’Univers, il
pourrait profondément modifier notre vision des trous noirs.
L’amplification d’ondes gravitationnelles ou électromagnétiques à
proximité de leur ergosphère, sous l’effet de ce phénomène,
pourrait jouer un rôle clé dans la dynamique énergétique de ces
objets extrêmes. Cela ouvrirait également de nouvelles fenêtres
d’observation pour les astrophysiciens, leur permettant de détecter
indirectement des propriétés des trous noirs jusqu’ici
inaccessibles.

Au-delà des implications cosmologiques, comprendre et maîtriser
la superradiance pourrait avoir des retombées très concrètes. En
exploitant ce mécanisme, il serait possible de concevoir de
nouvelles sources d’ondes électromagnétiques ou acoustiques, voire
de développer des systèmes capables de recycler de l’énergie
mécanique autrement perdue. Ces avancées pourraient révolutionner
des domaines comme les communications ultra-sensibles, les radars
de haute précision, ou encore les technologies de détection
avancée.

Les prochaines étapes

Les chercheurs
restent prudents : même si l’effet Zel’dovich a été démontré en
laboratoire, en traduire les résultats en observations
astrophysiques concrètes est loin d’être simple. Les trous noirs ne
sont pas directement accessibles à l’étude, et les ondes qu’ils
pourraient amplifier dans l’espace sont noyées parmi de nombreuses
autres sources cosmiques, rendant leur détection extrêmement
délicate.

Cependant, cette
avancée ouvre plusieurs perspectives enthousiasmantes. D’abord,
elle encourage le développement de simulations de plus en plus
fines, capables de modéliser avec précision l’interaction entre des
ondes et des objets en rotation extrême, comme les trous noirs. Ces
modèles pourraient ensuite guider les astrophysiciens dans la
recherche de signaux spécifiques de superradiance autour des trous
noirs supermassifs, notamment au cœur des galaxies.

Enfin, l’expérience inspire
également des travaux plus appliqués. En explorant différents
matériaux et configurations, les chercheurs pourraient optimiser
l’amplification d’ondes pour concevoir de nouveaux dispositifs. À
terme, cela pourrait conduire à des innovations dans des domaines
technologiques de pointe, comme les communications ultra-sensibles
ou les systèmes de détection avancés.