Les ondes gravitationnelles sont des ondes porteuses d'énergie produites par l'accélération ou la perturbation d'objets massifs. Ces ondes, qui ont été observées directement pour la première fois en 2015, sont connues pour être produites lors de divers phénomènes cosmologiques, notamment la fusion de deux trous noirs en orbite l'un autour de l'autre (c'est-à-dire des trous noirs binaires).
L'étude des ondes gravitationnelles peut offrir des informations précieuses sur la gravité, la force fondamentale décrite par la théorie de la relativité générale d'Einstein. La relativité générale définit la gravité comme la courbure de l'espace-temps provoquée par la masse et l'énergie.
Des recherches antérieures ont montré que lorsque les effets gravitationnels sont particulièrement prononcés (c'est-à-dire dans des régimes de champ fort tels que ceux associés aux fusions de trous noirs binaires), la gravité devient non linéaire. Faire davantage de lumière sur ces dynamiques non linéaires peut aider à tester et à améliorer les théories existantes de la gravité.
Des chercheurs du California Institute of Technology ont effectué de nouvelles simulations qui encadrent la gravité à l’aide des équations de Maxwell, des équations généralement utilisées pour étudier l’électromagnétisme, au lieu des équations conventionnelles de la relativité générale.
Leur article, publié dans Lettres d'examen physiqueintroduit une nouvelle approche prometteuse pour étudier la dynamique gravitationnelle des fusions de trous noirs binaires et d'autres collisions spatio-temporelles.
« Notre recherche a été inspirée par deux choses », a déclaré Elias R. Most, auteur principal de l'article, à Issues.fr.
« Dans le contexte de la prévision des transitoires radio liés à la fusion d'objets compacts, tels que les étoiles à neutrons et les trous noirs, nous avons effectué des travaux approfondis sur les champs électriques et magnétiques réguliers autour des trous noirs, simulé leur dynamique et acquis une très bonne compréhension de leur comportement.
« En même temps, la gravité a toujours été quelque peu mystérieuse, du moins dans sa forme courante, dépourvue de capacité de visualisation facile, comme c'est le cas en particulier pour les champs magnétiques. »
Les travaux récents de Most et de ses collègues s'appuient sur l'idée selon laquelle la gravité peut également être exprimée d'une manière qui ressemble à la façon dont la théorie physique décrit les champs électriques et magnétiques.
Les chercheurs ont donc entrepris d'utiliser des équations décrivant l'électromagnétisme, appelées équations de Maxwell, pour comprendre la dynamique gravitationnelle dans les régimes de champs forts. Leur espoir était d’atteindre le même niveau de compréhension que celui atteint dans des études antérieures axées sur les émissions radio.
« Les simulations que nous avons effectuées sont basées sur une méthodologie commune pour visualiser les équations de la relativité générale d'Einstein sur un ordinateur », a expliqué Most.
« Ces simulations sont intrinsèquement difficiles et ont été développées par la communauté au cours des 50 dernières années. La principale nouveauté que nous avons apportée était la possibilité de réinterpréter complètement ces simulations de manière analogue à l'électrodynamique. Autrement dit, nous utilisons les expressions que nous avions dérivées et réinterprétées les simulations. »
Grâce à la méthodologie proposée, les chercheurs ont pu calculer le champ électrique et magnétique associé à la gravité sur la base des données de simulation existantes. Il est intéressant de noter que leurs simulations ont montré que la théorie de la relativité générale peut en fait être étudiée à l’aide d’équations décrivant l’électromagnétisme.
« Notre travail nous a déjà appris à réinterpréter les trajectoires des particules et l'espace courbe », a déclaré Most. « Cela a également beaucoup aidé à clarifier le début de la non-linéarité (où une forte gravité domine). »
À l’avenir, l’étude récente de Most et de ses collègues pourrait ouvrir de nouvelles possibilités de recherche visant à tester des aspects spécifiques de la théorie de la relativité générale ou de la dynamique gravitationnelle non linéaire. Dans leurs prochaines études, les chercheurs prévoient de s’appuyer sur leurs simulations pour explorer les aspects turbulents des ondes gravitationnelles.
« Essentiellement, les ondes gravitationnelles sont différentes des faisceaux de lumière ordinaires », a expliqué Most.
« Lorsqu'ils se croisent, ils peuvent (sous certaines conditions) interagir. Cette interaction peut ressembler à des turbulences dans l'atmosphère, mais elle est difficile à décrire mathématiquement. En revanche, pour certains régimes électrodynamiques, c'est un phénomène bien connu et étudié.
« En utilisant notre approche ci-dessus, nous avons pu montrer que les mêmes formulations mathématiques qui sous-tendent la turbulence avec des champs magnétiques réguliers s'appliquent également aux ondes gravitationnelles, ce qui est une idée très non triviale. Dans les mois à venir, nous prévoyons d'étudier plus en détail la non-linéarité des ondes gravitationnelles. «
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Sadie Harley, et vérifié et révisé par Robert Egan, cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour maintenir en vie le journalisme scientifique indépendant. Si ce reporting vous intéresse, pensez à faire un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte en guise de remerciement.
