cuspide de trou noir. Crédit :Centre d'excellence ARC pour la découverte des ondes gravitationnelles
Une équipe de chercheurs sur les ondes gravitationnelles dirigée par le Centre d'excellence de l'ARC pour la découverte des ondes gravitationnelles (OzGrav) rapporte que lorsque deux trous noirs entrent en collision et fusionnent, le trou noir résiduel ne « pépie » pas une seule fois, mais plusieurs fois, émettant des ondes gravitationnelles - ondulations intenses dans l'espace et le temps du tissu - qui révèlent des informations sur sa forme. Leur étude a été publiée dans Physique des communications .
Les trous noirs sont parmi les objets les plus fascinants de l'univers. A leur surface, connu sous le nom d'horizon des événements, la gravité est si forte que même la lumière ne peut s'échapper. D'habitude, les trous noirs sont des objets silencieux qui avalent tout ce qui leur tombe trop près; cependant, quand deux trous noirs se heurtent et fusionnent, ils produisent l'un des événements les plus catastrophiques de l'univers :en une fraction de seconde, un trou noir hautement déformé se forme et libère d'énormes quantités d'énergie lorsqu'il atteint son état final. Ce phénomène donne aux astronomes une chance unique d'observer des trous noirs en évolution rapide et d'explorer la gravité dans sa forme la plus extrême.
Bien que les trous noirs en collision ne produisent pas de lumière, les astronomes peuvent observer les ondes gravitationnelles détectées qu'ils créent, des ondulations dans le tissu de l'espace et du temps. Les scientifiques pensent que, après une collision, le comportement du trou noir résiduel est essentiel pour comprendre la gravité et devrait être codé dans les ondes gravitationnelles émises.
Dans l'article publié dans Physique des communications , les scientifiques, dirigé par l'ancien élève d'OzGrav, le professeur Juan Calderón Bustillo, rapporte comment les ondes gravitationnelles encodent la forme des trous noirs en fusion lorsqu'ils s'installent dans leur forme finale.
Fig. 1. a :Les étapes d'une fusion de trous noirs. D'abord, les deux trous noirs sont en orbite l'un autour de l'autre, s'approchant doucement, pendant la phase inspiratoire. Deuxièmement, les deux trous noirs fusionnent, formant un trou noir déformé. Finalement, le trou noir atteint sa forme finale. b :Fréquence des signaux d'ondes gravitationnelles observés depuis le sommet de la collision (le plus à gauche) et depuis différentes positions sur son équateur (au repos) en fonction du temps. Le premier signal montre le signal typique de « pépiement », dans lequel la fréquence augmente en fonction du temps. Les trois autres montrent que, après la collision (à t=0) la fréquence chute et remonte, produisant un deuxième "bip". Crédit :C. Evans, J. Calderón Bustillo
L'étudiant diplômé et co-auteur Christopher Evans du Georgia Institute of Technology (États-Unis) a déclaré :"Nous avons effectué des simulations de collisions de trous noirs à l'aide de superordinateurs, puis comparé la forme changeant rapidement du trou noir résiduel aux ondes gravitationnelles qu'il émet. Nous avons découvert que ces signaux sont beaucoup plus riches et complexes qu'on ne le pense généralement, nous permettant d'en savoir plus sur la forme considérablement changeante du trou noir final."
Les ondes gravitationnelles provenant de la collision des trous noirs sont de simples signaux connus sous le nom de « chirps ». Alors que les deux trous noirs se rapprochent, ils émettent un signal de fréquence et d'amplitude croissante qui indique la vitesse et le rayon de l'orbite. Le professeur Calderón Bustillo dit :"La hauteur et l'amplitude du signal augmentent à mesure que les deux trous noirs s'approchent de plus en plus vite. Après la collision, le dernier trou noir résiduel émet un signal avec une hauteur constante et une amplitude décroissante, comme le son d'une cloche frappée.
Cependant, l'étude a révélé que quelque chose de complètement différent se produit si la collision est observée depuis "l'équateur" du trou noir final. "Quand nous avons observé des trous noirs depuis leur équateur, nous avons constaté que le trou noir final émet un signal plus complexe, avec un pas qui monte et descend plusieurs fois avant de mourir, " dit le professeur Calderón Bustillo. " En d'autres termes, le trou noir gazouille en fait plusieurs fois."
Fig. 2. Détail de la forme du trou noir résiduel après une collision de trou noir, avec une « forme de châtaigne ». Les régions de forte émission d'ondes gravitationnelles (en jaune) se regroupent près de sa cuspide. Ce trou noir tourne en faisant pointer la cuspide vers tous les observateurs qui l'entourent. Crédit :C. Evans, J. Calderón Bustillo
L'équipe a découvert que cela est lié à la forme du trou noir final, qui agit comme une sorte de phare à ondes gravitationnelles :« Lorsque les deux trous noirs parents d'origine sont de tailles différentes, le trou noir final ressemble initialement à une châtaigne, avec une cuspide d'un côté et une plus large, dos plus lisse sur l'autre, " dit Bustillo. " Il s'avère que le trou noir émet des ondes gravitationnelles plus intenses à travers ses régions les plus courbes, qui sont ceux qui entourent sa cuspide. C'est parce que le trou noir restant tourne également et que sa cuspide et son arrière pointent à plusieurs reprises vers tous les observateurs, produisant plusieurs bips."
Co-auteur Prof. Pablo Laguna, ancien président de la School of Physics de Georgia Tech et maintenant professeur à l'Université du Texas à Austin, mentionné, "Alors qu'une relation entre les ondes gravitationnelles et le comportement du trou noir final a longtemps été conjecturée, our study provides the first explicit example of this kind of relation."
