Les physiciens considèrent les trous noirs comme l’un des objets les plus mystérieux qui existent. Ironiquement, ils sont également considérés comme parmi les plus simples. Depuis des années, des physiciens comme moi cherchent à prouver que les trous noirs sont plus complexes qu’il n’y paraît. Et une mission spatiale européenne récemment approuvée, appelée LISA, nous aidera dans cette chasse.

Des recherches menées dans les années 1970 suggèrent que l’on peut décrire de manière exhaustive un trou noir en utilisant seulement trois attributs physiques :sa masse, sa charge et sa rotation. Toutes les autres propriétés de ces étoiles massives mourantes, comme leur composition détaillée, leurs profils de densité et de température, disparaissent à mesure qu’elles se transforment en trou noir. Voilà à quel point ils sont simples.

L'idée selon laquelle les trous noirs n'ont que trois attributs est appelée le théorème « sans poils », ce qui implique qu'ils n'ont pas de détails « poilus » qui les rendent compliqués.

Des trous noirs poilus ?

Pendant des décennies, les chercheurs de la communauté astrophysique ont exploité les failles ou les solutions de contournement des hypothèses du théorème sans poils pour proposer des scénarios potentiels de trous noirs poilus. Un trou noir poilu possède une propriété physique que les scientifiques peuvent mesurer – en principe – et qui va au-delà de sa masse, de sa charge ou de sa rotation. Cette propriété doit faire partie intégrante de sa structure.

Il y a environ dix ans, Stefanos Aretakis, physicien actuellement à l'Université de Toronto, a montré mathématiquement qu'un trou noir contenant la charge maximale qu'il pouvait contenir – appelé trou noir chargé extrême – développerait des « cheveux » à son horizon. L'horizon d'un trou noir est la limite où tout ce qui le traverse, même la lumière, ne peut s'échapper.

L’analyse d’Aretakis était plutôt une expérience de pensée utilisant un scénario physique très simplifié, ce n’est donc pas quelque chose que les scientifiques s’attendent à observer de manière astrophysique. Mais les trous noirs suralimentés ne sont peut-être pas les seuls à pouvoir avoir des cheveux.

Comme on sait que les objets astrophysiques tels que les étoiles et les planètes tournent, les scientifiques s’attendent à ce que les trous noirs tournent également, en fonction de la manière dont ils se forment. Des preuves astronomiques ont montré que les trous noirs ont effectivement une rotation, bien que les chercheurs ne connaissent pas la valeur de rotation typique d'un trou noir astrophysique.

Grâce à des simulations informatiques, mon équipe a récemment découvert des types de cheveux similaires dans des trous noirs qui tournent à une vitesse maximale. Ces cheveux sont liés au taux de changement, ou au gradient, de la courbure de l'espace-temps à l'horizon. Nous avons également découvert qu'il n'est pas nécessaire qu'un trou noir tourne au maximum pour avoir des cheveux, ce qui est important car ces trous noirs en rotation maximale ne se forment probablement pas dans la nature.

Détection et mesure des cheveux

Mon équipe souhaitait développer un moyen de mesurer potentiellement ces cheveux, une nouvelle propriété fixe qui pourrait caractériser un trou noir au-delà de sa masse, de sa rotation et de sa charge. Nous avons commencé à étudier comment une telle nouvelle propriété pourrait laisser une signature sur une onde gravitationnelle émise par un trou noir à rotation rapide.

Une onde gravitationnelle est une petite perturbation de l’espace-temps généralement causée par de violents événements astrophysiques survenant dans l’univers. Les collisions d’objets astrophysiques compacts tels que les trous noirs et les étoiles à neutrons émettent de fortes ondes gravitationnelles. Un réseau international d'observatoires gravitationnels, dont le Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory aux États-Unis, détecte régulièrement ces ondes.

Nos études récentes suggèrent que l’on peut mesurer ces attributs poilus à partir des données d’ondes gravitationnelles des trous noirs à rotation rapide. L'examen des données sur les ondes gravitationnelles offre l'opportunité d'obtenir une sorte de signature qui pourrait indiquer si le trou noir possède ce type de cheveux.

Nos études en cours et les progrès récents réalisés par Som Bishoyi, un étudiant de l'équipe, sont basés sur un mélange de modèles théoriques et informatiques de trous noirs à rotation rapide. Nos découvertes n’ont pas encore été testées sur le terrain ni observées dans de véritables trous noirs dans l’espace. Mais nous espérons que cela changera bientôt.

LISA obtient le feu vert

En janvier 2024, l’Agence spatiale européenne a officiellement adopté la mission spatiale LISA (Laser Interferometer Space Antenna). LISA recherchera les ondes gravitationnelles, et les données de la mission pourraient aider mon équipe à répondre à nos questions délicates sur les trous noirs.

L’adoption formelle signifie que le projet a le feu vert pour passer à la phase de construction, avec un lancement prévu en 2035. LISA se compose de trois vaisseaux spatiaux configurés dans un triangle équilatéral parfait qui suivra la Terre autour du soleil. Les vaisseaux spatiaux seront chacun distants de 1,6 million de miles (2,5 millions de kilomètres) et ils échangeront des faisceaux laser pour mesurer la distance entre eux jusqu'à environ un milliardième de pouce.

LISA détectera les ondes gravitationnelles provenant de trous noirs supermassifs qui sont des millions, voire des milliards de fois, plus massifs que notre soleil. Il construira une carte de l’espace-temps autour des trous noirs en rotation, ce qui aidera les physiciens à comprendre le fonctionnement de la gravité à proximité immédiate des trous noirs avec un niveau de précision sans précédent. Les physiciens espèrent que LISA sera également capable de mesurer tous les attributs poilus que pourraient avoir les trous noirs.

Avec LIGO qui fait de nouvelles observations chaque jour et LISA qui offre un aperçu de l'espace-temps autour des trous noirs, c'est maintenant l'un des moments les plus excitants pour être un physicien des trous noirs.