Cette simulation montre comment une fusion de trous noirs apparaîtrait à nos yeux si nous pouvions d'une manière ou d'une autre voyager dans un vaisseau spatial pour l'observer de plus près. Il a été créé en résolvant des équations de la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein à l'aide des données LIGO de l'événement appelé GW150914. Crédit :SXS, le projet Simulating eXtreme Spacetimes (SXS)
Quand deux trous noirs entrent en collision, ils se fondent dans un plus grand trou noir et sonnent comme une cloche frappée, envoyant des ondulations dans l'espace et le temps appelées ondes gravitationnelles. Dans ces ondes gravitationnelles se trouvent des fréquences spécifiques, ou des tons, qui s'apparentent à des notes individuelles dans un accord musical.
Maintenant, les chercheurs ont détecté deux de ces tonalités pour la première fois dans le « ringdown » d'un trou noir nouvellement formé. Précédemment, il a été supposé qu'un seul ton pouvait être mesuré et que des tons supplémentaires, appelés harmoniques, serait trop faible pour être détecté avec les technologies d'aujourd'hui.
"Avant, c'était comme si vous essayiez de faire correspondre le son d'un accord d'une guitare en n'utilisant qu'une seule corde, " dit Matthieu Giesler, un étudiant diplômé à Caltech et deuxième auteur d'une nouvelle étude détaillant les résultats dans le numéro du 12 septembre de Lettres d'examen physique . Giesler est l'auteur principal d'un article connexe soumis à Physical Review X sur la technique utilisée pour trouver les harmoniques.
Les résultats, qui étaient basées sur la réanalyse des données capturées par le LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) de la National Science Foundation, ont mis la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein à un nouveau type de test. Parce que la fusion des trous noirs subit une gravité écrasante, les études de ces événements permettent aux chercheurs de tester la théorie générale de la relativité dans des conditions extrêmes. Dans ce cas particulier, les chercheurs ont testé une prédiction spécifique de la relativité générale :que les trous noirs peuvent être entièrement décrits par leur masse et leur vitesse de rotation. Encore, Einstein a réussi le test.
« Ce genre de test avait été proposé bien avant la première détection, mais tout le monde s'attendait à ce qu'il faille attendre de nombreuses années avant que les détecteurs soient suffisamment sensibles, " dit Saul Teukolsky (Ph.D. '73), le professeur Robinson d'astrophysique théorique à Caltech et conseiller de Giesler. "Ce résultat montre que nous pouvons déjà commencer à effectuer le test avec les détecteurs d'aujourd'hui en incluant les harmoniques, un résultat inattendu et excitant."
LIGO est entré dans l'histoire en 2015 en réalisant la toute première détection directe d'ondes gravitationnelles, 100 ans après qu'Einstein les ait prédits pour la première fois. Depuis, LIGO et son observatoire partenaire basé en Europe, Vierge, ont détecté près de 30 événements d'ondes gravitationnelles, qui sont en cours d'analyse. Beaucoup de ces ondes gravitationnelles sont apparues lorsque deux trous noirs sont entrés en collision, envoyer des carquois dans l'espace.
"Un nouveau trou noir se forme à la suite d'un processus astrophysique violent et est donc dans un état agité, " dit Maximiliano (Max) Isi (Ph.D. '18), auteur principal de la Lettres d'examen physique étudier, maintenant au MIT. "Toutefois, il se débarrasse rapidement de ce surplus d'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles."
Dans le cadre des travaux d'études supérieures de Giesler, il a commencé à rechercher si des harmoniques pouvaient être détectées dans les données d'ondes gravitationnelles actuelles en plus du signal principal, ou ton, même si la plupart des scientifiques pensaient que ces harmoniques étaient trop faibles. Il a spécifiquement examiné les simulations de la première détection d'ondes gravitationnelles par LIGO, d'un événement de fusion de trous noirs connu sous le nom de GW150914.
Pendant la phase finale de la fusion, une période de temps connue sous le nom de sonnerie, le trou noir nouvellement fusionné tremble toujours. Giesler a trouvé que les harmoniques, qui sont bruyants mais de courte durée, sont présents dans une phase plus précoce du ringdown que ce qui avait été réalisé auparavant.
"C'était un résultat très surprenant. La sagesse conventionnelle était qu'au moment où le trou noir résiduel s'était installé afin que toutes les tonalités puissent être détectées, les harmoniques auraient disparu presque complètement, " dit Teukolsky, qui est également professeur de physique à l'Université Cornell. "Au lieu, il s'avère que les harmoniques sont détectables avant que le ton principal ne devienne visible."
Les nouvelles harmoniques ont aidé les chercheurs à tester le théorème "pas de cheveux" pour les trous noirs - l'idée qu'il n'y a pas d'autres caractéristiques, ou "cheveux, " nécessaire pour définir un trou noir autre que la masse ou le spin. Les nouveaux résultats confirment que les trous noirs n'ont pas de poils, mais les scientifiques soupçonnent que les futurs tests de la théorie, dans lequel des observations encore plus détaillées sont utilisées pour sonder les fusions de trous noirs, peut montrer le contraire.
"La théorie d'Einstein pourrait s'effondrer s'il y a des effets quantiques en jeu, " dit Giesler.
"La théorie de la gravité de Newton passe de nombreux tests où la gravité est faible, mais échoue complètement lorsqu'il s'agit de décrire la gravité à son extrême, comme quand il s'agit d'essayer de décrire la fusion des trous noirs. De la même manière, au fur et à mesure que nous sondons le signal des trous noirs avec une précision croissante, il est possible que même la relativité générale échoue un jour au test."
Au cours des prochaines années, les mises à niveau prévues de LIGO et Virgo rendront les observatoires encore plus sensibles aux ondes gravitationnelles, révélant des tons plus cachés.
"Plus un événement est grand et bruyant, plus LIGO est susceptible de capter ces harmoniques, " dit Alan Weinstein, professeur de physique à Caltech et membre du Laboratoire LIGO, qui n'est pas associé à cette étude. "Avec la première détection d'ondes gravitationnelles par LIGO, nous avons confirmé les prédictions faites par la relativité générale. Maintenant, en recherchant des harmoniques, et même des signaux plus faibles appelés modes d'ordre supérieur, nous recherchons des tests plus approfondis de la théorie, et même des preuves potentielles de l'effondrement de la théorie."
dit Isi, "Petit à petit, les trous noirs dévoileront leurs mystères, révolutionner notre compréhension de la gravité, espacer, et le temps."
