Dans un nouveau Lettres d'examen physique Étude, les chercheurs ont réussi à suivre le voyage complet d'une vague gravitationnelle du passé infini à l'avenir infini en rencontre un trou noir.
Rapporté par des scientifiques de l'Université d'Otago et de l'Université de Canterbury, l'étude représente la première fois que quiconque capture la relation complète de cause à effet de diffusion d'ondes gravitationnelles dans une seule simulation.
Les chercheurs s'attaquent au problème de diffusion en physique gravitationnelle. En d'autres termes, ils veulent comprendre ce qui arrive aux ondes gravitationnelles lorsqu'ils rencontrent des objets massifs (comme des trous noirs) et les disperser.
Ils doivent suivre les ondes de l'infini nul passé (où les ondes gravitationnelles entrantes proviennent de l'espace-temps) à l'infini nul futur (où les rayonnements sortants se déplacent finalement).
Ceux-ci représentent les limites légères de l'univers, où les ondes gravitationnelles viennent et viennent si elles voyagent pour toujours sans être arrêtées.
Issues.fr s'est entretenu avec les chercheurs derrière l'étude, le professeur Joerg Frauendien de l'Université d'Otago, le Dr Chris Stevens et Sebenele Thwala de l'Université de Canterbury.
« Nous avons montré, pour la première fois, qu'il est possible de suivre une onde gravitationnelle alors qu'elle se déplace à travers l'espace-temps incurvé d'un trou noir du passé infini à l'avenir infini », a expliqué le Dr Stevens.
« La nécessité d'incorporer l'infini nous permet de calculer l'énergie totale et l'élan de l'espace-temps.
Saisir à l'infini
Pour suivre la trajectoire d'une onde gravitationnelle, les chercheurs devaient résoudre le problème de l'infini.
Dans la théorie de la relativité générale d'Einstein, des systèmes isolés comme les trous noirs existent dans l'espace-temps asymptotiquement plat. Ce sont des régions qui deviennent plates et vides à des distances infinies.
Ces frontières, appelées infinités nulles, représentent où l'on en œuvre de lumière et de gravitation (passée par l'infini nul) et où ils se déplacent finalement (future infinité nul).
Les simulations traditionnelles ne peuvent capturer que des régions finies de l'espace-temps, manquant l'image complète de la façon dont les vagues voyagent de leurs origines à leurs destinations ultimes. Essentiellement, ils ne racontent pas l'histoire complète.
« Notre travail résout l'onde gravitationnelle sur l'infini nul passé, évolue les équations d'Einstein entièrement non linéaires à travers l'espace-temps de trou noir et extrait naturellement la forme d'onde gravitationnelle à Future Null Infinity », a expliqué le professeur Frauendianer.
Cette approche complète fournit ce que les chercheurs appellent la véritable relation de cause à effet entre les rayonnements entrants et sortants.
Un tour de force mathématique
Les chercheurs ont utilisé les équations de champ conformes généralisées de Friedrich (GCFE), un cadre mathématique qui sauvegarde l'espace-temps pour apporter une distance infinie dans un domaine de calcul fini. Cela rend l'infini accessible.
Pour résoudre les équations d'évolution, les chercheurs ont construit un progiciel personnalisé connu sous le nom d'équation de champ conforme (café). À l'aide du café, les chercheurs ont simulé des impulsions d'ondes gravitationnelles de diverses forces rencontrant un trou noir de Schwarzschild.
Les chercheurs ont testé une gamme d'amplitudes des vagues, suivant la quantité de leur énergie absorbée par rapport à dispersée lors de la rencontre du trou noir.
Leurs simulations ont révélé que l'espace-temps est exceptionnellement raide.
Pour les vagues entrantes ayant des amplitudes faibles, seulement environ 8,5% de l'énergie dispersée à l'infini, le reste étant absorbé par le trou noir. Même pour les vagues avec de fortes amplitudes, seulement environ 20% de l'énergie s'est échappée.
Mesurer l'énergie à l'infini
Pour comprendre combien d'énergie circule dans et hors pendant le processus de diffusion, les chercheurs ont calculé deux quantités: Bondi Energy et Bondi News dans les deux infinités.
« Les nouvelles de Bondi sont simplement une quantité qui » apporte des nouvelles « qu'il y a un rayonnement gravitationnel. » À savoir, s'il n'est pas nul, il y a un rayonnement gravitationnel, et zéro sinon « , a expliqué Thwala.
D'un autre côté, l'énergie de Bondi est l'énergie totale sur un cône léger de tout point de l'espace-temps. C'est l'un des rares façons rigoureuses de définir l'énergie en relativité générale.
Ces mesures ont permis aux chercheurs de vérifier la conservation de l'énergie avec une précision remarquable tout au long de leurs simulations, fournissant une validation cruciale de leurs méthodes numériques.
Ils ont également observé des effets non linéaires fascinants. Malgré l'injection de modèles d'ondes simples, la dynamique complexe de l'espace-temps incurvé a généré des modes d'onde supplémentaires grâce à la réaction. C'est essentiellement lorsque les vagues créent de nouvelles vagues à mesure qu'elles se propagent.
Plus intrigant, lorsque le rayonnement sortant a atteint l'infini nul futur, il présentait des oscillations caractéristiques appelées sonneries quasiormales, qui est la fréquence de vibration naturelle du trou noir.
Les chercheurs ont constaté que cette fréquence restait inchangée indépendamment des propriétés de l'onde entrante, ce qui suggère qu'elle dépend uniquement du trou noir lui-même.
Implications et affiner le modèle
Le Dr Stevens a souligné l'importance de leur travail, en disant: « Le fait d'avoir des données dans les deux infinités permet de faire des déclarations rigoureuses sur ce qui se passe dans ce qui va pour la première fois.
« Cela peut commencer à répondre à des questions sur la façon dont les trous noirs dispersent les ondes gravitationnelles et la quantité d'énergie absorbée par le trou noir, et la quantité rayonnée. »
Cela a une importance particulière dans l'astronomie moderne, où des expériences comme LIGO détectent des ondes gravitationnelles émergeant de trous noirs ou d'étoiles à neutrons.
Malgré la promesse, les chercheurs identifient un défi qui reste à relever.
« Le principal problème avec la méthode actuelle est que l'onde initiale n'est pas définie directement sur Infinity Null », a déclaré le professeur Frauendien. « Être capable de régler la vague ingératoire directement, puis l'évolution vers l'infini future nul, serait idéal. »
Pour l'instant, les chercheurs prévoient de se concentrer sur la découverte des propriétés mondiales du problème de diffusion au lieu d'étendre leur méthode à des scénarios plus complexes.
