Une collision exceptionnellement forte entre deux trous noirs a été détectée par l'Observatoire des ondes gravitationnelles LIGO, permettant aux physiciens de tester un théorème postulé par Stephen Hawking en 1971
Illustration de deux trous noirs fusionnant et envoyant des ondes gravitationnelles à travers le cosmos
Le théorème de 50 ans de Stephen Hawking sur la façon dont les trous noirs fusionnent ensemble a été testé avec succès grâce à d'énormes avancées dans l'astronomie des vagues gravitationnelles, ce qui a aidé les astronomes à attraper les vagues causées par une collision inhabituellement puissante en passant la terre à la vitesse de la lumière.
Hawking a proposé son théorème de la zone du trou noir en 1971, qui indique que lorsque deux trous noirs fusionnent, l'horizon de l'événement du trou noir qui en résulte – la limite au-delà duquel même la lumière ne peut échapper aux griffes d'un trou noir – ne peut pas avoir une zone plus petite que la somme des deux trous noirs d'origine. Le théorème fait écho à la deuxième loi de la thermodynamique, qui indique que l'entropie ou le trouble dans un objet ne diminue jamais.
Black Hole Mergers déforme le tissu de l'univers, produisant de minuscules fluctuations dans l'espace-temps connu sous le nom d'ondes gravitationnelles, qui traversent l'univers à la vitesse de la lumière. Cinq observatoires d'ondes gravitationnelles sur terre chassent des vagues 10 000 fois plus petites que le noyau d'un atome. Ils comprennent les deux détecteurs américains de l'Observatoire de l'onde gravitationnelle interféromètre laser (LIGO) plus le détecteur Vierge en Italie, le Kagra au Japon et le GEO600 en Allemagne, exploité par une collaboration internationale connue sous le nom de Ligo-Virgo-Kagra (LVK).
La récente collision, nommée GW250114, était presque identique à celle qui a créé les premières vagues gravitationnelles jamais observées en 2015. Les deux impliquaient des trous noirs avec des masses entre 30 et 40 fois la masse de notre soleil et se sont déroulées à environ 1,3 milliard d'années-lumière.
Cette fois, les détecteurs LIGO améliorés ont eu trois fois la sensibilité qu'ils avaient en 2015, ils ont donc pu capturer des vagues émanant de la collision avec des détails sans précédent. Cela a permis aux chercheurs de vérifier le théorème de Hawking en calculant que la zone de l'horizon de l'événement était en effet plus grande après la fusion.
Lorsque les trous noirs entrent en collision, ils produisent des vagues gravitationnelles avec des connotations comme la sonnerie d'une cloche, explique Laura Nuttall à l'Université de Portsmouth, au Royaume-Uni, membre de l'équipe LVK. Auparavant, ces connotations se sont dissipées trop rapidement pour être observées avec suffisamment de clarté pour calculer la zone des horizons d'événements avant et après les collisions, ce qui était nécessaire pour tester la théorie de Hawking. Une étude 2021 sur la première collision détectée a soutenu la théorie avec un niveau de confiance de 95%, mais la nouvelle recherche augmente cette confiance à 99,999% convaincante.
Au cours des 10 années où les scientifiques ont observé des ondes gravitationnelles, ils ont enregistré quelque 300 collisions de trous noirs. Mais aucun n'a été capturé aussi fortement et clairement que GW250114, qui était deux fois plus fort que toute autre onde gravitationnelle détectée à ce jour.
«Ceux qui sont vraiment, vraiment à proximité – vraiment, vraiment forts dans nos données – ce sont eux où nous pouvons vraiment commencer à approfondir la physique fondamentale de ce qui se passe, simplement parce qu'ils sont si bruyants et que les incertitudes sont si petites. Ainsi, nous pouvons commencer vraiment à choisir les détails volumineux de ce qui se passe», dit Nuttall. «Nous attendons que la nature continue de nous donner ces belles choses.»
Seul Ligo fonctionnait lorsque les vagues de GW250114 ont atteint la Terre, et non les autres détecteurs surveillés par la collaboration LVK. Cela n'a pas affecté le test de la théorie de Hawking, mais les chercheurs signifiaient pas plus clairement l'origine des vagues dans le ciel.
Les mises à niveau vers LIGO et d'autres observatoires prévus qui devraient se mettre en ligne à l'avenir apporteront une sensibilité encore plus grande et nous permettra de approfondir la physique des trous noirs, explique Ian Harry, également à l'Université de Portsmouth et une partie de l'équipe LVK. «Nous ne les obtenons peut-être pas tous, mais nous aurons à nouveau un événement comme celui-ci», explique Harry. « Peut-être qu'avec la prochaine série de mises à niveau, peut-être en 2028, nous voyons quelque chose comme ça et peut-être que c'est à la sensibilité où nous pouvons vraiment percer des trous. »
Les résultats ouvrent la voie à de nouvelles recherches sur la gravité quantique, à travers laquelle les physiciens espèrent unir la relativité générale et la physique quantique. Nuttall affirme que les derniers résultats montrent que la relativité générale et la mécanique quantique continuent de bien fonctionner ensemble, mais une certaine divergence est attendue à l'avenir.
«À un moment donné, nous pouvons commencer à voir que les choses cessent de jouer bien, et ce sera lorsque nous obtiendrons des signaux très proches qui semblent extrêmement forts dans nos données à mesure que la sensibilité des instruments augmente», explique Nuttall.
Les dernières données de LVK ont également permis aux scientifiques de confirmer les équations du mathématicien Roy Kerr des années 1960 qui prédisaient que les trous noirs peuvent être caractérisés par seulement deux métriques: leur masse et leur spin. Essentiellement, deux trous noirs avec la même masse et le même spin sont mathématiquement identiques. Grâce aux observations de GW250114, nous savons maintenant que c'est vrai.
