De petites erreurs de modélisation peuvent s'accumuler plus rapidement que prévu lorsque les physiciens combinent plusieurs événements d'ondes gravitationnelles (comme la collision de trous noirs) pour tester la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein, suggèrent des chercheurs de l'Université de Birmingham au Royaume-Uni. Les résultats, publié le 16 juin dans la revue iScience , suggèrent que les catalogues avec aussi peu que 10 à 30 événements avec un rapport signal sur bruit de fond de 20 (ce qui est typique pour les événements utilisés dans ce type de test) pourraient fournir des écarts trompeurs par rapport à la relativité générale, pointant à tort vers une nouvelle physique là où il n'en existe pas. Parce que cela est proche de la taille des catalogues actuels utilisés pour évaluer la théorie d'Einstein, les auteurs concluent que les physiciens doivent procéder avec prudence lors de la réalisation de telles expériences.

« Tester la relativité générale avec des catalogues d'événements d'ondes gravitationnelles est un tout nouveau domaine de recherche, " dit Christopher J. Moore, professeur à la School of Physics and Astronomy &Institute for Gravitational Wave Astronomy de l'Université de Birmingham au Royaume-Uni et auteur principal de l'étude. "C'est l'une des premières études à examiner en détail l'importance des erreurs de modèle théorique dans ce nouveau type de test. S'il est bien connu que les erreurs dans les modèles théoriques doivent être traitées avec soin lorsque vous essayez de tester une théorie, nous avons été surpris de la rapidité avec laquelle les petites erreurs de modèle peuvent s'accumuler lorsque vous commencez à combiner des événements dans des catalogues."

En 1916, Einstein a publié sa théorie de la relativité générale, qui explique comment les objets célestes massifs déforment le tissu interconnecté de l'espace et du temps, entraînant la gravité. La théorie prédit que de violents incidents spatiaux tels que les collisions de trous noirs perturbent l'espace-temps si gravement qu'ils produisent des ondulations appelées ondes gravitationnelles, qui parcourent l'espace à la vitesse de la lumière. Des instruments tels que LIGO et Virgo ont maintenant détecté des signaux d'ondes gravitationnelles provenant de dizaines de trous noirs fusionnants, que les chercheurs ont utilisé pour mettre la théorie d'Einstein à l'épreuve. Jusque là, c'est toujours passé. Pour pousser la théorie encore plus loin, les physiciens le testent maintenant sur des catalogues de plusieurs événements d'ondes gravitationnelles groupées.

"Quand je me suis intéressé à la recherche sur les ondes gravitationnelles, l'un des principaux attraits était la possibilité de faire de nouveaux tests plus stricts de relativité générale, " dit Riccardo Buscicchio, un doctorat étudiant à l'École de physique et d'astronomie et à l'Institut d'astronomie des ondes gravitationnelles et co-auteur de l'étude. "La théorie est fantastique et a déjà passé avec succès un nombre extrêmement impressionnant d'autres tests. Mais nous savons d'autres domaines de la physique qu'elle ne peut pas être complètement correcte. Essayer de trouver exactement où elle échoue est l'une des questions les plus importantes en physique ."

Cependant, tandis que de plus grands catalogues d'ondes gravitationnelles pourraient rapprocher les scientifiques de la réponse dans un proche avenir, ils amplifient également le potentiel d'erreurs. Étant donné que les modèles de forme d'onde impliquent inévitablement des approximations, simplifications, et les erreurs de modélisation, des modèles avec un degré élevé de précision pour des événements individuels pourraient s'avérer trompeurs lorsqu'ils sont appliqués à de grands catalogues.

Pour déterminer comment les erreurs de forme d'onde augmentent à mesure que la taille du catalogue augmente, Moore et ses collègues ont utilisé simplifié, des catalogues fictifs linéarisés pour effectuer un grand nombre de calculs de test, qui impliquait de dessiner des rapports signal sur bruit, décalage, et des angles d'alignement d'erreur de modèle pour chaque événement d'onde gravitationnelle. Les chercheurs ont découvert que la vitesse à laquelle les erreurs de modélisation s'accumulent dépend de la tendance ou non à la moyenne des erreurs de modélisation sur de nombreux événements de catalogue différents, si les écarts ont la même valeur pour chaque événement, et la distribution des erreurs de modélisation de forme d'onde à travers les événements.

"La prochaine étape sera pour nous de trouver des moyens de cibler ces cas spécifiques en utilisant des modèles plus réalistes mais aussi plus coûteux en calcul, " dit Moore. " Si jamais nous voulons avoir confiance dans les résultats de tels tests, nous devons d'abord avoir une compréhension aussi bonne que possible des erreurs dans nos modèles."