Une étude publiée dans Nature a établi une nouvelle référence dans la modélisation des événements les plus extrêmes de l'univers: les collisions des trous noirs et des étoiles à neutrons. Cette recherche, dirigée par le professeur Jan Plefka à l'Université de Humboldt de Berlin et le Dr Gustav Mogull de l'Université Queen Mary, anciennement à Humboldt Universität et au Max Planck Institute for Gravational Physics (Albert Einstein Institute), et mené en collaboration avec une équipe internationale de physiciens, fournit une précision sans précision dans les calculs cruciaux à la compréhension des vagues gravestes.
En utilisant des techniques de pointe inspirées de la théorie du champ quantique, l'équipe a calculé le cinquième ordre post-Minkowskian (17 h) pour les observables tels que les angles de diffusion, l'énergie rayonnée et le recul. Un aspect révolutionnaire de l'œuvre est l'apparition des périodes de calabi-yau trois fois – des structures géométriques enracinées dans la théorie des cordes et la géométrie algébrique – dans l'énergie radiative et le recul. Ces structures, autrefois considérées comme purement mathématiques, trouvent désormais la pertinence pour décrire les phénomènes astrophysiques du monde réel.
Avec des observatoires d'ondes gravitationnelles comme Ligo entrant dans une nouvelle phase de sensibilité et de détecteurs de nouvelle génération tels que Lisa à l'horizon, cette recherche répond à la demande croissante de modèles théoriques de précision extraordinaire.
Le Dr Mogull explique: « Bien que le processus physique de deux trous noirs interagit et diffusant via la gravité que nous étudions est conceptuellement simple, le niveau de précision mathématique et de calcul requis est immense. »
Benjamin Sauer, Ph.D. Le candidat de l'Université de Humboldt de Berlin ajoute: « L'apparition des géométries de Calabi-Yau approfondit notre compréhension de l'interaction entre les mathématiques et la physique. Ces idées façonneront l'avenir de l'astronomie des vagues gravitationnelles en améliorant les modèles que nous utilisons pour interpréter les données d'observation. »
Cette précision est particulièrement importante pour capturer des signaux à partir de systèmes liés elliptiques, où les orbites ressemblent plus étroitement à des événements de diffusion à grande vitesse, un domaine où les hypothèses traditionnelles sur les trous noirs à évolution lente ne s'appliquent plus.
Les ondes gravitationnelles, ondulations dans l'espace-temps causées par l'accélération d'objets massifs, ont révolutionné l'astrophysique depuis leur première détection en 2015. La capacité de modéliser ces vagues avec précision améliore notre compréhension des phénomènes cosmiques, y compris le « coup de pied » ou le recul des trous noirs après la diffusion – un processus avec des implications très éloignées pour la formation du galaxie et l'évolution.
Peut-être le plus aléatoire, la découverte des structures calabi-yau dans ce contexte relie le domaine macroscopique de l'astrophysique aux mathématiques complexes de la mécanique quantique.
« Cela pourrait fondamentalement changer la façon dont les physiciens abordent ces fonctions », explique le Dr. Uhre Jakobsen, membre de l'équipe, du Max Planck Institute for Gravitational Physics et de l'Université de Humboldt de Berlin. « En démontrant leur pertinence physique, nous pouvons nous concentrer sur des exemples spécifiques qui illuminent de véritables processus dans la nature. »
Le projet a utilisé plus de 300 000 heures de base d'informatique à haute performance au Zuse Institute Berlin pour résoudre les équations régissant les interactions des trous noirs, démontrant le rôle indispensable de la physique informatique dans la science moderne.
« La disponibilité rapide de ces ressources informatiques a été essentielle au succès du projet », ajoute un doctorat. Le candidat Mathias Drisse, qui a dirigé les efforts informatiques.
Le professeur Plefka dit: « Cette percée souligne comment les efforts interdisciplinaires peuvent surmonter les défis une fois jugés insurmontables. De la théorie mathématique au calcul pratique, cette recherche illustre la synergie nécessaire pour repousser les limites de la connaissance humaine. »
Cette percée avance non seulement le domaine de la physique des ondes gravitationnelles, mais comble également l'écart entre les mathématiques abstraites et l'univers observable, ouvrant la voie aux découvertes à venir. La collaboration devrait élargir ses efforts davantage, explorant les calculs d'ordre supérieur et utilisant les nouveaux résultats dans les futurs modèles de forme d'onde gravitationnels. Au-delà de la physique théorique, les outils de calcul utilisés dans cette étude, tels que KIRA, ont également des applications dans des domaines comme la physique des collisides.
