Bar-Ilan (Israël), CNRS, Renatech : laser inspiré des trous noirs, la physique extrême recréée en laboratoire

Des chercheurs de l’Université Bar-Ilan ont développé un système optique qui imite le « ringdown », la phase de relaxation des trous noirs et l’utilise pour en faire un microlaser. Des chercheurs de l’Université Bar-Ilan ont réussi à recréer en laboratoire des caractéristiques essentielles de la physique des trous noirs grâce à un système optique innovant qui reproduit le comportement des trous noirs après des événements cosmiques violents tels que des collisions ou des fusions.

En termes simples, l’équipe a construit un système à petite échelle dans lequel la lumière se comporte de manière similaire aux ondes qui se propagent autour d’un trou noir. Ces oscillations, appelées signaux de « ringdown », sont du même type que celles détectées par des observatoires d’ondes gravitationnelles tels que LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Les chercheurs ont non seulement observé ces motifs d’ondes dans leur système, mais ont également montré qu’ils pouvaient être utilisés pour produire une émission laser. Cela offre une nouvelle manière d’étudier la physique des trous noirs dans un environnement de laboratoire contrôlé.

Reproduire la géométrie de l’espace-temps autour d’un trou noir

« Ce travail montre que des phénomènes que l’on associe habituellement aux objets les plus extrêmes de l’Univers peuvent être recréés et étudiés sur une table de laboratoire », déclare le Pr Patrick Sebbah, du département de physique et de l’Institut de nanotechnologie et des matériaux avancés de l’Université Bar-Ilan, qui a dirigé l’étude. « En utilisant la lumière dans des structures soigneusement conçues, nous pouvons observer et contrôler directement des effets qui sont autrement hors de portée expérimentale. »

Pour y parvenir, l’équipe a conçu et fabriqué de minuscules structures optiques courbes à l’aide de techniques avancées d’impression 3D. Ces structures ont été élaborées pour reproduire la géométrie de l’espace-temps autour d’un trou noir. Les chercheurs ont ensuite étudié la propagation et l’émission de la lumière dans ces structures à l’aide d’une combinaison d’analyses théoriques, de simulations numériques et de mesures expérimentales laser. Le fort accord entre ces approches confirme la validité des résultats.

La motivation de cette recherche réside dans la difficulté d’étudier directement la dynamique des trous noirs. Ceux-ci produisent des vibrations caractéristiques appelées modes quasi-normaux, qui sont au cœur de l’astronomie des ondes gravitationnelles mais restent difficiles à observer en détail. En recréant ces effets en laboratoire, les chercheurs ont cherché à les rendre accessibles à l’observation et à l’expérimentation directes.

Etudier en laboratoire des aspects fondamentaux de la physique des trous noirs

L’un des résultats les plus surprenants est que des modes associés à la sphère des photons – une région intrinsèquement instable autour d’un trou noir – peuvent être clairement observés et même soutenir une émission laser. Ce résultat montre que la courbure spatiale seule peut confiner efficacement la lumière, sans recourir aux mécanismes traditionnels basés sur des miroirs.

Ces résultats ont plusieurs implications importantes. Ils fournissent une nouvelle plateforme pour étudier en laboratoire des aspects fondamentaux de la physique des trous noirs, introduisent un mécanisme inédit de confinement de la lumière fondé sur la géométrie, et mettent en évidence l’intérêt des recherches interdisciplinaires combinant optique, relativité générale et technologies avancées de fabrication. Ce travail souligne également le rôle croissant de la recherche israélienne dans l’avancement des sciences de pointe.

Une collaboration Israël, France, USA

Cette recherche a été soutenue par l’Académie israélienne des sciences et des lettres, la Fondation israélienne pour la science, la Fondation binationale États-Unis–Israël pour la science, ainsi que le CNRS et le réseau français RENATECH (réseau académique français des équipements de pointe dans le domaine de la micro et la nanotechnologie piloté par le CNRS). L’étude a impliqué une collaboration entre des chercheurs de l’Université Bar-Ilan et de l’Université Paris-Saclay, notamment l’astrophysicien Dr Ofek Birnholtz (département de physique, Université Bar-Ilan) et la Dr Mélanie Lebental (Université Paris-Saclay).

À l’avenir, l’équipe prévoit d’explorer des géométries de trous noirs plus complexes, notamment des systèmes en rotation, d’étudier les interactions non linéaires entre modes, et de développer de nouveaux dispositifs photoniques basés sur le confinement de la lumière induit par la courbure.

Ces travaux illustrent une nouvelle direction interdisciplinaire combinant relativité générale, optique et nanotechnologie, avec des implications à la fois fondamentales et technologiques.

Publication dans Advanced Science 6 mars 2026