Lorsque les trous noirs entrent en collision, ils produisent des ondes gravitationnelles détectables sur Terre. Bien qu’elles aient été théorisées par Einstein en 1916, elles n’ont été directement observées qu’en 2015. Les recherches modernes opposent des modèles plus anciens aux nouvelles données, révélant que ces ondes interagissent effectivement. Ces connaissances affine nos modèles et remettent en question toute la portée de la relativité générale pour expliquer les propriétés des trous noirs.
Lorsque deux trous noirs entrent en collision, l’impact est si important que nous pouvons le détecter jusqu’ici sur Terre. Ces objets sont si immenses que leurs collisions provoquent des ondulations dans l’espace-temps lui-même. Les scientifiques appellent ces ondulations ondes gravitationnelles. Bien qu’Albert Einstein ait prédit l’idée des ondes gravitationnelles dès 1916, les physiciens ne les ont détectées directement qu’en 2015 à LIGO (l’Observatoire des ondes gravitationnelles de l’interféromètre laser). Aujourd’hui, des scientifiques soutenus par l’Office of Science du ministère de l’Énergie et plusieurs autres agences fédérales s’efforcent de mieux comprendre ces ondes gravitationnelles et ce qu’elles peuvent nous apprendre sur les trous noirs.
La complexité des collisions de trous noirs
En plus d’être très puissantes, ces collisions ont une physique incroyablement complexe. Pour être précis, leurs simulations informatiques doivent également être complexes. Les simulations doivent inclure chaque étape du processus : les trous noirs se dirigent en spirale les uns vers les autres, fusionnent, deviennent un objet déformé. trou noir, puis s’installer dans un seul trou noir. Ce processus est si complexe que les scientifiques ont besoin de superordinateurs pour exécuter les simulations.
Deux trous noirs sont sur le point de fusionner dans cette image issue d’une simulation produite par la collaboration Simulated eXtreme Spacetimes, ou SXS, utilisant des superordinateurs. Lorsque les trous noirs tournent ensemble, ils produisent des ondulations dans l’espace et dans le temps appelées ondes gravitationnelles. Crédit : Collaboration SXS Lensing/Simulator eXtreme Spacetimes
Les physiciens comparent ensuite les données numériques de ces simulations aux modèles du processus. Les anciennes versions des modèles montraient que les ondes gravitationnelles ne s’influençaient pas et n’interagissaient pas les unes avec les autres. Cependant, les scientifiques soupçonnaient que cela n’était pas exact. Pensez à deux personnes debout l’une à côté de l’autre dans une piscine et faisant des vagues. Si chacun d’eux produit de très petites vagues, il est possible que les vagues n’interfèrent pas les unes avec les autres. Ils mourront avant d’interagir. Mais si les deux personnes font de grosses vagues, les vagues s’écraseront les unes sur les autres et créeront de nouvelles vagues. Sachant que les collisions produisaient de fortes ondes gravitationnelles, les scientifiques pensaient qu’elles allaient interagir les unes avec les autres – mais cela ne se produisait tout simplement pas.
Nouvelles connaissances sur les interactions des ondes gravitationnelles
Une équipe de chercheurs du California Institute of Technology (Caltech), de l’Université de Columbia, de l’Université du Mississippi, de l’Université Cornell et de l’Institut Max Planck de physique gravitationnelle a mené une nouvelle analyse plus détaillée de ces résultats numériques. Cette analyse a montré des preuves d’interactions d’ondes gravitationnelles les unes avec les autres, comme prévu. Chaque vague modifie légèrement les autres. Les interactions créent de nouveaux types d’ondes avec leurs propres fréquences indépendantes. Ces nouvelles vagues sont plus petites, plus chaotiques et plus imprévisibles que les premières. En incluant cette fonctionnalité dans les modèles, les scientifiques peuvent décrire plus précisément ce que leur disent les résultats numériques.
Laboratoire LIGO Livingston. Crédit : Laboratoire LIGO
L’ajout de ces interactions dans les modèles de collisions de trous noirs rendra les modèles plus précis. À leur tour, ces modèles nous aideront à mieux interpréter les observations du monde réel. Plus les modèles sont précis, plus ils sont utiles pour interpréter les données de LIGO.
En outre, de meilleurs modèles peuvent aider les scientifiques à déterminer si la relativité générale est la bonne théorie pour expliquer ce qui se passe réellement dans les trous noirs. Bien que la relativité générale – la célèbre théorie développée par Einstein – explique dans ses grandes lignes comment la gravité affecte l’espace-temps, il reste encore à déterminer dans quelle mesure cette théorie s’applique aux propriétés étranges des trous noirs.
Implications pour notre compréhension de l’univers
Les collisions de trous noirs se déroulent à une distance inimaginable de la Terre et de notre vie quotidienne. Même si nous ne pouvons pas ressentir nous-mêmes les ondes gravitationnelles, les données et les modèles élaborés par les scientifiques élargissent chaque jour nos connaissances sur ces phénomènes incroyables.
