SXS – Simulated eXtreme Spacetimes – est une collaboration scientifique en cours qui génère depuis plusieurs décennies des simulations d’événements dramatiques dans l’espace, en particulier des fusions de systèmes binaires de trous noirs. Récemment, SXS a publié un article décrivant la version 3 de son catalogue de simulations binaires de trous noirs, six ans après la sortie de la version 2. L'article a été publié dans la revue Gravité classique et quantique.
En 2015, LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) a observé pour la première fois avec succès des ondes gravitationnelles – des ondulations dans l’espace-temps causées par des événements célestes dramatiques – mais les astrophysiciens théoriciens de la collaboration SXS avaient déjà travaillé dur au cours des deux décennies précédentes pour calculer à quoi pourraient ressembler ces ondes lorsqu’elles atteindraient la Terre.
Les ondes gravitationnelles sont créées par divers événements cosmologiques, notamment la fusion d'étoiles à neutrons et de trous noirs, et ces ondes traversent l'espace et même la Terre.
Des détecteurs très sensibles comme LIGO enregistrent les perturbations provoquées par ces ondes gravitationnelles lors de leur passage et tentent ensuite de déterminer quel type d'événement céleste les a provoquées. Mais il est tout aussi important de relever ce défi dans la direction opposée, en calculant quelles formes d’ondes gravitationnelles résulteraient de différents types d’événements célestes avant que les détections ne soient disponibles. C'est ce que fait la collaboration SXS.
Résoudre les équations d'Einstein pour la fusion des trous noirs est extrêmement difficile. « Vous pouvez prendre les équations d'Einstein et les écrire sous une forme décrite comme hyperbolique, adaptée à l'analyse des phénomènes ondulatoires », explique Keefe Mitman (Ph.D.), aujourd'hui chercheur à la NASA à l'Université Cornell.
« Cela signifie que si vous donnez à ces équations une sorte de données initiales, il existe une solution unique pour savoir comment ces données évolueront au fil du temps. Et à mesure que nous passons à une sortie à plus haute résolution, nous pouvons nous attendre à une convergence : des simulations qui se rapprochent de plus en plus de la solution exacte que vous attendez des équations d'Einstein. «
Aujourd'hui, les scientifiques de SXS et de LIGO échangent leurs données et leurs équations entre eux, associant les prédictions aux observations et vice-versa.
À ce stade, dit Mitman, « nous en faisons assez et LIGO est juste en train de rattraper son retard. Jusqu'à présent, lorsque LIGO a détecté quelque chose, ses astrophysiciens peuvent accéder au catalogue SXS et trouver une simulation qui suggère ce qui se passe avec leurs observations. S'ils ne trouvent pas ce dont ils ont besoin, ils peuvent demander à SXS une nouvelle simulation avec différents paramètres qui pourraient mieux correspondre à leurs données. «
Mais qui sait ce que l’avenir nous réserve ? Dans les années 1970 et 1980, théoriser des événements tels que les fusions de trous noirs via une technique mathématique connue sous le nom de relativité numérique semblait plus difficile que la simple détection des ondes gravitationnelles lorsqu'elles arrivaient sur Terre, et cette tâche semblait se situer entre extrêmement difficile et totalement impossible. Et pourtant, en 50 ans, la détection des ondes gravitationnelles est devenue une réalité.
Un jour, les données pourraient dépasser la théorie, c'est pourquoi les chercheurs de la collaboration SXS continuent de travailler avec diligence pour théoriser l'ensemble du spectre des fusions possibles de trous noirs.
Ils génèrent les formes d'onde que ces événements apporteraient aux détecteurs d'ondes gravitationnelles, qui comprennent désormais, outre LIGO, l'interféromètre Virgo près de Pise, en Italie, et KAGRA (le détecteur d'ondes gravitationnelles de Kamioka), un interféromètre de la préfecture de Gifu au Japon, avec des interféromètres spatiaux tels que LISA (l'antenne spatiale de l'interféromètre laser) et DECIGO (l'interféromètre DECi-hertz). Observatoire des ondes gravitationnelles) à venir.
SXS publie ensuite ses modèles en ligne où n'importe qui peut, pour ainsi dire, extraire une simulation spécifique et le code informatique qui l'accompagne de l'étagère de la bibliothèque.
Le catalogue étendu récemment publié est presque deux fois plus grand que dans la version précédente : 3 756 simulations par rapport au catalogue 2019. Ces simulations prennent également en compte une propriété des ondes gravitationnelles prédite par la relativité générale mais qui n'avait pas été prise en compte auparavant : la mémoire des ondes gravitationnelles.
« Normalement, quand vous pensez aux vagues, par exemple aux vagues concentriques en expansion que vous obtenez lorsque vous lancez une pierre dans un étang, vous savez qu'après un certain temps, les vagues se disperseront et la surface de l'étang redeviendra plate », explique Mitman.
« Avec les ondes gravitationnelles, c'est un peu différent. Lorsqu'une onde gravitationnelle traverse une région de l'espace-temps, cet espace se dilate et se contracte avec les pics et les creux de l'onde gravitationnelle. Mais une fois l'onde gravitationnelle passée, cette région de l'espace ne revient pas à ce qu'elle était avant. Elle est modifiée de façon permanente. Cette région de l'espace-temps se souvient de ce qui s'est passé, c'est pourquoi nous l'appelons l'effet mémoire. «
Avec l'effet mémoire des ondes gravitationnelles désormais inclus dans les simulations de SXS, les théoriciens se rapprochent de prédictions toujours plus précises concernant les fusions de trous noirs.
« Le catalogue est largement utilisé par la communauté mondiale des ondes gravitationnelles, avec des dizaines d'articles le citant chaque année », selon Saul Teukolsky, professeur Robinson d'astrophysique théorique.
« Par exemple, les modèles de forme d'onde utilisés pour rechercher des événements dans les données LIGO sont calibrés par rapport aux simulations très précises du catalogue. Et les idées théoriques sur la relativité générale peuvent être testées par rapport à ces simulations, qui résolvent les équations exactes de la théorie d'Einstein. »
« Les fusions de trous noirs ne peuvent être détectées que via les ondes gravitationnelles », explique Mitman. Le travail de SXS est donc essentiel pour repousser les limites de la physique fondamentale au niveau cosmologique.
