L'Université ITMO Modélise la Dynamique Galactique par Simulation avec des Ions Piégés

Des chercheurs de l'Université ITMO ont mis au point une méthodologie novatrice permettant de simuler avec une grande fidélité la cinématique des étoiles par rapport au centre de notre Galaxie, ainsi que les transformations ultérieures de la Voie Lactée. Cette approche repose sur l'exploitation d'ions atomiques maintenus en captivité dans un piège de laboratoire spécialisé. Ce faisant, les scientifiques parviennent à substituer les calculs purement mathématiques par une investigation expérimentale des processus astrophysiques, en s'appuyant sur le principe de similitude.

Semyon Roudoy, chercheur au Centre de Recherche et d'Éducation en Physique des Nanostructures de l'ITMO, a souligné l'avantage majeur de cette technique : elle offre la possibilité de reproduire un système cosmique à une échelle réduite, littéralement « dans la paume de la main ». Il devient alors possible d'étudier des phénomènes astrophysiques et même d'exercer une influence sur eux, les particules chargées dans le piège servant d'analogie directe aux étoiles. Les galaxies, comme tout système cosmique de grande envergure, constituent des systèmes dynamiques d'une complexité redoutable. La moindre variation dans les conditions initiales peut engendrer des conséquences imprévisibles à long terme, ce qui limite intrinsèquement la précision des modèles de calcul conventionnels.

Traditionnellement, pour anticiper l'évolution sur de longues périodes, les astronomes recourent à des constructions mathématiques simplifiées. Parmi celles-ci figure le potentiel de Hénon-Heiles, une formalisation introduite par Michel Hénon et Carl Heiles en 1964. Les travaux menés par les scientifiques de l'ITMO, bénéficiant du soutien du Fonds russe pour la recherche, ont démontré une correspondance frappante : les trajectoires des ions atomiques au sein d'un piège quadripolaire miment avec exactitude les orbites stellaires au sein du potentiel galactique. Les physiciens ont ainsi réussi à matérialiser le potentiel astrophysique classique de Hénon-Heiles au moyen d'un système d'ions atomiques.

Afin de générer la configuration de champ électrique requise au sein du piège, les chercheurs ont eu recours à des électrodes fabriquées à partir d'oxyde d'indium-étain, déposé sur des substrats de verre. Dmitri Cherbinine, chercheur principal au même centre, a insisté sur un point fondamental : les systèmes chaotiques, malgré la disparité de leur nature sous-jacente (qu'ils opèrent au niveau macroscopique ou microscopique), obéissent à des lois universelles. Cette observation conforte l'idée qu'il existe des régulateurs communs à divers systèmes chaotiques, permettant à l'un de reproduire fidèlement le comportement de l'autre.

Dans des domaines connexes, comme celui du calcul quantique à base d'ions, les scientifiques russes de la FIAN (Académie des Sciences de Russie) ont récemment atteint une prouesse en décembre 2025, enregistrant une précision record pour les opérations à un seul qubit sur un ordinateur quantique de 70 qubits. Ce succès atteste du haut niveau d'expertise maîtrisé dans la manipulation des systèmes ioniques. Tandis que des chercheurs étrangers, à l'image de Christopher Monroe, envisagent les simulations quantiques sur ions comme une plateforme prometteuse pour modéliser les états de la matière condensée, l'initiative russe se concentre résolument sur l'élaboration de modèles astrophysiques à l'échelle macroscopique, en exploitant les mêmes principes fondamentaux de contrôle des particules chargées.