Trous noirs : de l'information pourrait en sortir...

On l'appelle le paradoxe de l'information. Cette vieille énigme de la physique théorique vient de recevoir une solution possible, proposée par Abhay Asthekar, un des créateurs de la théorie de la Loop Quantum Gravity (LQG), ou gravitation quantique en boucles. Inspiré par les résultats de ses collègues Smolin, Rovelli et Bojowald, cet éminent spécialiste explique que, contrairement à ce qu’affirmait initialement Hawking, l’information serait bien conservée lors de l’évaporation d’un trou noir.

Imaginez le rayon laser d’un graveur de CD chauffant un morceau de charbon. Contrairement à la lumière du laser, presque monochromatique, celle émise par le charbon chauffé sera composée d’un très grand nombre de longueurs d’ondes différentes. Le rayonnement du morceau de charbon peut en effet être considéré comme celui d’un corps noir avec un spectre continu. Si les photons initiaux du laser ont tous presque la même longueur d’onde et qu’ils constituent un ensemble considéré comme pur selon la terminologie des physiciens, les photons ré-émis par le morceau de charbon seront constitués d’un mélange hétéroclite possédant de grandes différences du point de vue des longueurs d’ondes.

Ce rayonnement peut être vu comme très désordonné par opposition à la régularité de celui du laser. Si de plus le graveur de CD était en train de transmettre la bande son d’Iron Man, celle-ci sera inaudible dans le rayonnement thermique final du morceau de charbon.

Il n’en est rien pour un observateur microscopique utilisant les lois de la mécanique quantique. Pour lui, de subtiles corrélations dans les états des photons émis par le morceau de charbon sont bien présentes et son assimilation à un corps noir n’est qu’une approximation, excellente  mais fausse : il est toujours possible d’écouter la bande originale du film de Marvel si l’on s’y prend bien.

Dans le cas d’un trou noir s’évaporant par effet Hawking, les lois de la mécanique quantique exigent l’apparition d’un spectre de corps noir. Le problème est que l’existence d’un horizon, et aussi d’une singularité à l’intérieur de celui-ci, impose que le trou noir rayonne avec un spectre de corps noir parfait durant la très grande majorité de son existence et enfin, que son état final lié à la singularité soit trop chaotique pour retenir l’information qui ne s’est pas échappée par rayonnement Hawking durant son évolution.

On aboutit ainsi au paradoxe de l’information. Si, d’un côté, les lois de la mécanique quantique exigent que l’information ne soit jamais perdue dans l’évolution d’un système physique, appliquées à un trou noir elles exigent que le CD de Iron Man qui aurait été avalé par le trou noir ne puisse jamais être écouté en enregistrant et en analysant le rayonnement Hawking.

Ce problème, qui a de nombreux aspects, est l’un des plus importants de la physique et sa solution doit très probablement nous donner la clé de la physique du XXI ième siècle.

Un toy model en 2D pour l'évaporation des trous noirs

Abhay Ashtekar est un chercheur de renommé mondiale et c’est l’un des pères de la gravitation quantique à boucle. Comme bien d’autres chercheurs de son calibre avant lui, il vient de proposer un début de solution au paradoxe de l’information qui lui a été inspiré par le traitement nouveau des singularités en LQG.

La LQG indique que l’espace-temps serait fondamentalement granulaire et que la description continue que nous avons n’est pas plus justifiée que celle que l’on emploie en mécanique des fluides. En réalité, lorsque que l’on s’approche de la longueur et du temps de Planck, le caractère quantique de l’espace-temps imposerait une élimination des singularités prédites par la théorie de la relativité générale classique. Ce fait aurait de profondes répercussions sur l’état final d’un trou noir en fin d’évaporation, atteignant le régime de Planck.

Bien qu’Ashtekar et ses collaborateurs Victor Taveras et Madhavan Varadarajan déclarent tenir compte des résultats de la LQG, ils ne les emploient pas techniquement. Ils se concentrent sur un modèle jouet (toy model en anglais) de trou noir en deux dimensions déjà considéré en théorie des cordes et contrôlé par un champ scalaire, le dilaton.

Ce modèle simplifié permet de traiter quantiquement de l’état de la géométrie d’un trou noir en train de s’évaporer. Ils montrent alors que si la singularité n’existe plus au moins dans l’état final de l’évaporation d’un trou noir de ce type, alors l’information n’est pas perdue et le paradoxe disparaît. Il pense donc que si un traitement plus rigoureux et surtout en 4 dimensions de l’évaporation d’un trou noir était effectué dans le cadre de la LQG, ce résultat particulier pourrait fort bien être générique.

Si l’on ne sait pas encore traiter de l’évaporation d’un trou noir avec la LQG, on pense que les résultats impliquant l’élimination de la singularité au cœur d’un trou noir de Schwarzschild sont néanmoins assez solides dans le cadre de cette théorie.

La théorie des cordes elle-même n’est pas favorable à la destruction de l’information par un trou noir et c’est en partie à cause d’elle que Hawking a fini par changer d’avis en 2004. Il est possible que ce résultat puisse servir à connecter les deux théories, LQG et théorie des cordes...

Masdar City, la ville à zéro émission, sort de terre

En plein désert, à Abou Dhabi, dans les Emirats arabes unis, une ville ultra-moderne est construite de toutes pièces. Dédiée aux technologies du développement durable, sans voiture, sans aucune émission de gaz carbonique, elle accueillera 50.000 personnes et 1.500 entreprises.

Energie solaire pour tout le monde, bâtiments soigneusement étudiés pour réduire le besoin en climatisation, recyclage de l'eau, aucune voiture mais des transports en commun : Masdar City sera une ville à « zéro émission », de gaz carbonique s'entend (du moins si l'on exclut la respiration des habitants...). Ce projet ambitieux a été lancé en 2006 par l'émirat d'Abou Dhabi, le plus riche des Emirats arabes unis. Depuis longtemps, le prince héritier, le cheikh Khalifa bin Zayid Al Nahyan (qui est également président de la fédération des émirats), pense à l'après-pétrole. La diversification de l'économie est au programme avec une priorité pour le développement des énergies renouvelables. L'émirat lui a consacré 15 milliards de dollars dans l'emblématique projet Masdar Initiative (masdar signifiant source).

La construction de la cité, qui s'étendra sur 6 kilomètres carrés, tout près de la ville d'Abou Dhabi, a officiellement été inaugurée le 9 février 2008 mais les véritables travaux viennent seulement de commencer. Le budget annoncé atteint 22 milliards de dollars pour cette infrastructure aux technologies sophistiquées. L'énergie solaire sera récupérée par des capteurs intégrés aux bâtiments eux-mêmes. Masdar City utilisera aussi l'énergie éolienne et les détritus organiques serviront à fournir un supplément d'énergie.

Trois quarts d'énergie en moins, promet-on

Les habitants n'auront pas à renoncer à la climatisation mais elle ne sera pas assurée par les habituels compresseurs. La ville elle-même sera conçue pour minimiser la dépense énergétique : orientation des bâtiments, zones ombragées, espaces de verdure et forçage de la circulation d'air naturelle. Les conditionneurs d'air eux-mêmes fonctionneront directement à l'énergie solaire.

Les transports seront assurés par un système de véhicules électriques autonomes, sur rails ou glissant par sustentation électromagnétique, dont on promet qu'ils permettront le voyage quasiment porte à porte. C'est du moins la demande du cahier des charges, pour lequel des candidats se sont déjà fait connaître.

La consommation sera, assurent les promoteurs du projet, inférieure de 75% à celle d'une ville moderne du même type. Pour l'instant, ces chiffres et les techniques à utiliser restent du domaine de la prévision ou du vœu pieux. Mais le projet a bel et bien démarré et la ville pourra accueillir 50.000 personnes et 1.500 entreprises en 2015.

Masdar城，惊现零排放之城


Jean-Luc Goudet 报导

一座超现代的城市倏然耸立于Abou Dhabi，阿拉伯联合酋长国的茫茫沙漠之中。她向可持续发展的各种技术致以了敬意，没有轿车，甚至没有任何含碳废气的排放，而她即将迎来五万人、一千五百个企业的光临。




完全使用太阳能，精心研制的无需气温调节的建筑物，水的循环再用，放弃轿车而代以公共交通工具：Masdar城将成为一座零排放的城市（当然指的是含碳废气，除了居民的呼吸以外）。最有钱的Abou Dhabi酋长国于2006年启动了这项雄伟的计划。继位王子cheikh Khalifa bin Zayid Al Nahyan（同时是酋长国联邦总统）在很早的时候就想到了“石油以后”的问题。计划中的经济多样化一直注意可再生资源的发展研究。酋长国为此（献）给了他150亿美元用于象征性的计划Masdar Initiative。










这座靠近Abou Dhabi的城市覆盖了六平方公里的土地，这个工程于2008年2月9日官方性地举行了揭幕式，但是真正的工作才刚刚开始。这个由高端技术构筑成的基础设施的预算达到了220亿美元。太阳能收集装置将与建筑物本身浑然一体。Masdar城也将使用风能，连有机垃圾也会被用作补充能源。








不超过四分之三的能量，我保证 <---我没译错吧？

居民将无需屈服于这里的气候，但气候调节也并非由常见的压缩机保障的。整个城市的设计包含有最小化能源需求的概念：建筑物的取向，绿荫地带，草坪，以及强制自然空气流通。连空调也直接使用太阳能驱动。

交通运输会使用一个自动的电动车系统，要不是轨道车，要不是磁悬浮。我保证大家将体验到“从门到门”的便捷旅程。以上至少是工程必修手册的要求，所有实际上的候选计划都必须考虑到这些。




项目倡导者保证，能源消耗将小于同类现代都市的75%。暂时来讲，这些数字和技术还只是在“可预见”的领域，或者说是好心的愿望。但是此项目也很不错、很好看地起步了，在2015年也可以接待五万人及一千五百个企业。

L’étrange rotation de Titan

A l’instar de notre Lune, Titan présente toujours la même face à Saturne. Ou presque. Car il semble tourner un peu, de façon inexplicable…

Depuis longtemps, les hommes ont remarqué que la vitesse de rotation de la Lune était équivalente à sa vitesse de révolution. On parle alors de rotation synchrone, phénomène qui nous empêche pour toujours d’apercevoir directement sa face opposée. Bien entendu, une telle précision n'est due au hasard…

Cet étrange phénomène est provoqué par les effets de marée produits par une planète sur son satellite. Lorsque leur proximité est suffisante, les forces d’attraction entraînent une déformation du satellite qui, d’une forme idéalement sphérique, devient légèrement ellipsoïde, le grand axe étant confondu avec la droite joignant le centre des deux astres.

Les ordres de grandeur peuvent paraître insignifiants, se mesurant en mètres ou décimètres. Cependant, la rotation du satellite sur lui-même entraîne cette protubérance dans le sens du mouvement, de sorte qu’elle prend une légère avance par rapport à l’axe planète-satellite. Il se produit alors un couple gravitationnel sur chaque protubérance, avec pour effet de ralentir le satellite par sa protubérance avant et de l’accélérer par sa protubérance opposée. Cependant, la première se trouvant très légèrement plus rapprochée (de la valeur du diamètre du corps) de la planète, celle-ci l’emportera et la rotation finira par se stabiliser.

Où la mécanique céleste semble se détraquer...

Récemment toutefois, la sonde Cassini, en orbite autour de Saturne, a mis en évidence une très légère désynchronisation entre les durées de rotation et de révolution de Titan. Cette différence reste très minime (+ 0,004 %), mais inexpliquée.

Plusieurs hypothèses sont actuellement avancées pour tenter de résoudre l’énigme. Les auteurs de l’observation proposent l’existence d’un océan interne dont la durée de rotation serait différente de celle du satellite, provoquant ainsi une différence de couple. Une autre équipe de recherche composée de membres de l’Université de Namur (Belgique), de l’Université de Lille 1 et de l’Observatoire de Paris estime qu’il pourrait tout simplement s’agir d’une erreur de mesure.

En effet, selon Benoît Noyelles, Anne Lemaître et Alain Vienne, cette désynchronisation apparente pourrait résulter d’une différence entre l’axe de rotation et l’axe des pôles qui pourrait fausser la mesure par un phénomène de composition de mouvement en assimilant ces deux axes l’un à l’autre.

Les chercheurs attendent maintenant de nouvelles observations afin de confirmer ou d’infirmer ces hypothèses.

Comment régénérer l'air du vaisseau Orion, en route vers la Lune ?

Dans leur voyage vers la Lune, les futurs astronautes devront respirer un air sain malgré une atmosphère confinée. Pour des missions bien plus longues que celles d'Apollo, il faut un système efficace de régénération d'air. Les premiers tests ont commencé...

Leur unique travail : respirer, transpirer, dormir, manger ou faire un peu d'exercice. Les 23 volontaires de cette expérience sont restés enfermés des heures durant, par groupes de six, dans un minuscule réduit de 16 mètres cubes. Le but ? Tester un système de régénération d'air sur lequel la Nasa travaille depuis plus d'un an, Camras (Carbon-dioxide and Moisture Removal Amine Swing-bed).

Cet appareillage sera un jour embarqué dans le vaisseau spatial Orion, alias CEV (Crew Exploration Vehicle), cet engin en forme de cône, ressemblant à la capsule Apollo et déjà à l'étude dans le cadre du projet Constellation de retour à la Lune. Orion transportera six astronautes vers la Lune et les en ramènera. Le Camras sera-t-il également à l'œuvre dans le vaisseau Altaïr, sur le sol sélène, où les missions humaines pourront durer plusieurs semaines ? La Nasa ne le précise pas.

Ce système a pour fonction d'extraire de l'air ambiant le gaz carbonique (CO₂) et l'humidité. Il utilise des composés chimiques portant une fonction amine (NH₂). Ce procédé est connu et permet l'absorption du gaz carbonique et de l'eau lors d'une réaction qui dégage de la chaleur. Il peut être ensuite régénéré au prix d'une dépense d'énergie (il faut chauffer). On peut utiliser une solution aqueuse mais l'équipe du projet a choisi d'installer ces composés aminés sur un support solide métallique, formant une sorte de mousse, organisée en nid d'abeille. Baptisé SA9T, cet absorbeur solide (solid amine sorbent, en anglais) dérive d'un produit déjà testé sur la navette, le RCRS (Regenerable Carbon Dioxide Removal System). La Nasa n'est pas prolixe en détails sur ce sujet mais décrit tout de même les caractéristiques générales du Camras dans un document téléchargeable (en PDF).

Le support vie : une des clés de missions longues

Le point important est que ce support est un bon conducteur de la chaleur. L'élévation de température obtenue lorsque le matériau capte le gaz carbonique ou l'eau peut ainsi être facilement transmise dans un autre compartiment qui, lui, en est à la phase suivante, consistant à régénérer l'absorbeur en le débarrassant du gaz carbonique ou de l'eau. Cette réaction inverse est endothermique (elle consomme de la chaleur) et sera donc ainsi facilitée.

Il semble également que le système permette d'utiliser le vide de l'espace pour extraire le gaz carbonique et l'eau. Sur un support solide et poreux, ces molécules ne sont pas absorbées (dans un volume) mais adsorbées (sur la surface). Une dépression contribue alors à les arracher de leur support.

Plusieurs tests avaient déjà été conduits mais Camras devait passer le dernier, en situation quasiment réelle. L'appareil a donc dû pendant plusieurs jours régénérer l'air exhalé par six personnes, qui restaient plusieurs heures dans l'habitacle, certains ayant séjourné une nuit entière.

Ce travail fait partie d'un projet plus vaste, baptisé Exploration Life Support (support de vie pour l'exploration), destiné à mettre au point des technologies pour fournir aux astronautes de l'air pur et de l'eau, notamment en assurant un recyclage de l'atmosphère et des eaux usées.

猎户号飞往月球之旅，途中如何更新空气？


Jean-Luc Goudet 报导

即使将呆在一个空气不流通的环境里，未来的宇航员在飞往月球的旅途上也应当呼吸上干净的空气。对于一些比阿波罗系列漫长得多的任务，一个有效的空气更新系统是必须的。这些研究和测试已经开始了……



他们仅有的“任务”就是呼吸、出汗、睡觉、吃饭，再加少许身体锻炼。这项实验的23个志愿者六人一组地呆在一个只有16立方米的空间中。目的么，就是测试一个空气更新系统Camras，而NASA为此已经努力了一年以上。






这套设备未来将装在猎户号空间舱（另名CEV）上。这套锥形器械和阿波罗舱相似，正在名为“星座”的回归月球计划框架内进行研究。猎户号将承载6名宇航员飞往月球并返回。Camras系统是否也用于牛郎号飞船，带着人类历时若干星期踏足小行星sélène表面呢？NASA没详细说明。





此系统主要功能是使用有胺基的化合物，从空气中抽离二氧化碳和湿气。通过一个放热反应，这个早已为人所知的过程可以吸收空气中的二氧化碳和水。它们随后可以稍稍加热然后循环再用。我们可以用某些水溶液完成这一步骤，但项目小组选择了把这些氨化化合物固定在固体金属底座的方式，形成类似于蜂巢的慕斯状结构。这种固体吸收材料被命名为SA9T，其实是从一种已经在穿梭机上得到测试的RCRS材料衍生而来的。NASA在这一点上并没有繁琐地介绍细节，而仅仅是在一份可供下载的文档中对Camras的主要特点作了描述。











生命维持系统：长时间任务的关键之一


这个固体底座必须具有良好的导热能力，这样材料吸收二氧化碳和水并反应后放出的热量才可以迅速传到另一小舱中。第二个步骤在那发生：吸收材料在一个吸热反应中放出二氧化碳和水，重新生成原材料。







看起来，这个系统也可以利用宇宙中的真空环境来抽离二氧化碳和水。找一个固体多孔底座，这些分子并不会被“吸收”其中，而是“吸附”在表面。压强差恰恰使这些分子牢牢地附在上面。





Camras系统已经有过若干次小测试，但还应经历一次接近现实的考验。这套仪器要在若干天内更新由六个测试者呼出的空气，每人每天停留若干小时，有的人还过了夜。



这项工作同时也是另一个更庞大的计划的一部分：探险活动生命维持计划，致力于开发、实践各种科技，提供宇航员必需的空气、水分，并维持好其循环再用。