Si la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein est vraie, puis un trou noir, né des collisions cosmiquement tremblantes de deux trous noirs massifs, devrait lui-même « sonner » dans la foulée, produire des ondes gravitationnelles un peu comme une cloche frappée réverbère les ondes sonores. Einstein a prédit que la hauteur et la décroissance particulières de ces ondes gravitationnelles devraient être une signature directe de la masse et du spin du trou noir nouvellement formé.

Maintenant, des physiciens du MIT et d'ailleurs ont « entendu » la sonnerie d'un trou noir infantile pour la première fois, et trouvé que le modèle de cette sonnerie fait, En réalité, prédire la masse et la rotation du trou noir - une preuve supplémentaire qu'Einstein avait raison depuis le début.

Les résultats, publié aujourd'hui dans Lettres d'examen physique , favorisent également l'idée que les trous noirs n'ont aucune sorte de "cheveux" - une métaphore faisant référence à l'idée que les trous noirs, selon la théorie d'Einstein, ne devrait présenter que trois propriétés observables :la masse, tournoyer, et charge électrique. Toutes les autres caractéristiques, que le physicien John Wheeler a appelé « cheveux, " devrait être englouti par le trou noir lui-même, et serait donc inobservable.

Les découvertes de l'équipe aujourd'hui soutiennent l'idée que les trous noirs sont, En réalité, chauve. Les chercheurs ont pu identifier le motif de la sonnerie d'un trou noir, et, en utilisant les équations d'Einstein, calculé la masse et le spin que le trou noir devrait avoir, étant donné sa sonnerie. Ces calculs correspondaient aux mesures de la masse et du spin du trou noir effectuées précédemment par d'autres.

Si les calculs de l'équipe s'écartaient considérablement des mesures, il aurait suggéré que la sonnerie du trou noir code des propriétés autres que la masse, tournoyer, et la charge électrique - des preuves alléchantes de la physique au-delà de ce que la théorie d'Einstein peut expliquer. Mais il s'avère que le motif de sonnerie du trou noir est une signature directe de sa masse et de sa rotation, soutenir l'idée que les trous noirs sont des géants au visage chauve, dépourvu de tout étranger, propriétés semblables à celles des cheveux.

"Nous nous attendons tous à ce que la relativité générale soit correcte, mais c'est la première fois que nous le confirmons de cette manière, " dit l'auteur principal de l'étude, Maximiliano Isi, un boursier Einstein de la NASA à l'Institut Kavli d'astrophysique et de recherche spatiale du MIT. "C'est la première mesure expérimentale qui réussit à tester directement le théorème de l'absence de cheveux. Cela ne signifie pas que les trous noirs ne pourraient pas avoir de cheveux. Cela signifie que l'image de trous noirs sans cheveux vit un jour de plus."

Un bip, décodé

Le 9 septembre 2015, les scientifiques ont fait la toute première détection d'ondes gravitationnelles - ondulations infinitésimales dans l'espace-temps, émanant de loin, phénomènes cosmiques violents. La détection, nommé GW150914, a été réalisé par LIGO, l'Observatoire des ondes gravitationnelles par interféromètre laser. Une fois que les scientifiques ont éliminé le bruit et zoomé sur le signal, ils ont observé une forme d'onde qui a rapidement crescendo avant de disparaître. Quand ils ont traduit le signal en son, ils ont entendu quelque chose qui ressemblait à un « pépiement ».

Les scientifiques ont déterminé que les ondes gravitationnelles étaient déclenchées par l'inspiration rapide de deux trous noirs massifs. Le pic du signal - la partie la plus forte du chirp - lié au moment même où les trous noirs sont entrés en collision, fusionner en un seul, nouveau trou noir. Alors que ce trou noir infantile a probablement émis ses propres ondes gravitationnelles, sa sonnerie signature, les physiciens ont supposé, serait trop faible à déchiffrer au milieu de la clameur de la collision initiale.

Isi et ses collègues, cependant, trouvé un moyen d'extraire la réverbération du trou noir des instants immédiatement après le pic du signal. Dans des travaux antérieurs dirigés par le co-auteur d'Isi, Matthieu Giesler, l'équipe a montré à travers des simulations qu'un tel signal, et en particulier la portion juste après le pic, contient des « harmoniques » - une famille de tons de courte durée. Quand ils ont réanalysé le signal, en tenant compte des harmoniques, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient isoler avec succès un motif de sonnerie spécifique à un trou noir nouvellement formé.

Dans le nouveau papier de l'équipe, les chercheurs ont appliqué cette technique aux données réelles de la détection GW150914, se concentrer sur les dernières millisecondes du signal, immédiatement après le pic du chirp. Compte tenu des harmoniques du signal, ils ont pu discerner une sonnerie venant du nouveau, trou noir infantile. Spécifiquement, ils ont identifié deux tons distincts, chacun avec un taux de hauteur et de décroissance qu'ils ont pu mesurer.

"Nous détectons un signal d'onde gravitationnelle global composé de plusieurs fréquences, qui s'estompent à des rythmes différents, comme les différentes hauteurs qui composent un son, " dit Isi. " Chaque fréquence ou ton correspond à une fréquence vibratoire du nouveau trou noir. "

Écouter au-delà d'Einstein

La théorie de la relativité générale d'Einstein prédit que la hauteur et la décroissance des ondes gravitationnelles d'un trou noir devraient être un produit direct de sa masse et de son spin. C'est-à-dire, un trou noir d'une masse et d'un spin donnés ne peut produire que des tons d'une certaine hauteur et d'une certaine décroissance. Pour tester la théorie d'Einstein, l'équipe a utilisé les équations de la relativité générale pour calculer la masse et le spin du trou noir nouvellement formé, étant donné la hauteur et la décroissance des deux tons qu'ils ont détectés.

Ils ont trouvé que leurs calculs correspondaient aux mesures de la masse et du spin du trou noir précédemment effectuées par d'autres. Isi dit que les résultats démontrent que les chercheurs peuvent, En réalité, utiliser le plus fort, parties les plus détectables d'un signal d'onde gravitationnelle pour discerner la sonnerie d'un nouveau trou noir, où avant, les scientifiques ont supposé que cette sonnerie ne pouvait être détectée que dans l'extrémité beaucoup plus faible du signal d'onde gravitationnelle, et seulement avec des instruments beaucoup plus sensibles que ce qui existe actuellement.

"C'est excitant pour la communauté car cela montre que ce genre d'études est possible maintenant, pas dans 20 ans, " dit Isi.

Au fur et à mesure que LIGO améliore sa résolution, et des instruments plus sensibles seront mis en ligne à l'avenir, les chercheurs pourront utiliser les méthodes du groupe pour « entendre » le tintement d'autres trous noirs nouvellement nés. Et s'il leur arrive d'entendre des tons qui ne correspondent pas tout à fait aux prédictions d'Einstein, cela pourrait être une perspective encore plus excitante.

"À l'avenir, nous aurons de meilleurs détecteurs sur Terre et dans l'espace, et pourra voir non seulement deux, mais des dizaines de modes, et cerner précisément leurs propriétés, " dit Isi. " Si ce ne sont pas des trous noirs comme le prédit Einstein, s'il s'agit d'objets plus exotiques comme des trous de ver ou des étoiles à bosons, ils peuvent ne pas sonner de la même manière, et nous aurons une chance de les voir.