des dizaines de collisions de trous noirs testent la relativité générale

Deux lauréats du prix Nobel physique récemment récompensé des pionniers dans l’exploration théorique et expérimentale des prédictions de la théorie de relativité générale avec, parmi eux, Kip Thorne et Roger Penrose. Sir Roger est surtout connu pour son travail sur trous noirs que par ceux sur ondes gravitationnelles et pourtant ils existent et ont même été utilisés par un autre prix Nobel de physique, Subrahmanyan Chandrasekhar, dans conjonction avec ses derniers travaux sur les trous noirs.

Il faut certainement s’attendre à d’autres lauréats du prix Nobel dans le domaine de l’astronomie des ondes gravitationnelles dont l’ère a commencé le 14 septembre 2015 (d’où le nom de cet événement: GW150914, car GW est l’acronyme de Onde gravitationnelle, en anglais), lorsque les membres de la collaboration Vierge et ceux de Lien s’est rapidement rendu compte que le signal détecté par Ligo provenait des derniers événements survenus lorsque deux trous noirs de Masse étoilé, appariement binaire, rapprochez-vous en suivant une spirale, puis fusionnez-vous en une seule étoile compacte (voir la vidéo ci-dessus et ci-dessous). On sait aussi que la France et l’Italie sont très impliquées théoriquement et observablement dans l’étude des ondes gravitationnelles avec le détecteur Virgo, comme en témoigne l’attribution de l’un des Médailles d’or du CNRS à Alain Brillet et Thibault Damour, ainsi que l’existence de grandes équipes travaillant dans des laboratoires comme le LAPP (Laboratoire d’Annecy de physique des particules) ou celle de l’Observatoire de la Côte d’Azur (OCA) à Nice, Artémis.

Futura en a profité pour interviewer à plusieurs reprises l’un des membres d’Artemis, leastrophysicien Olivier Minazzoli, travaillant également au centre scientifique de Monaco. Il nous avait par exemple donné plusieurs explications concernant la possibilité de tester la théorie des supercordes avec Virgo et Ligo ainsi que la possibilité d’obtenir preuve extrêmement convaincante de l’existence de trous noirs en mettant en évidence l’influence de ce qu’on appelle leurs modes quasi-normaux sur le spectre ondes gravitationnelles résultant de la fusion de deux trous noirs.

Une centaine de trous noirs dans les collisions?

Plus récemment, les membres de la collaboration Ligo et virgo ont annoncé avoir publié la dernière mise à jour du catalogue des ondes gravitationnelles détectées avec ces instruments. Il s’appelle GWTC-2 (en anglais, Catalogue des transitoires d’ondes gravitationnelles 2), ou Catalogue O3a, et il répertorie toutes les sources confirmées de la première en 2015 jusqu’à la fin de la première moitié de la troisième campagne de collecte de données, la fameuse «course O3», qui a débuté le 1^est Avril avant de se terminer le 1^est Octobre de la même année 2019.

Le nombre de détections a augmenté et l’utilisation des mesures est devenue plus précise suite aux mises à niveau des détecteurs qui ont eu lieu avant le run O3, en particulier dans le cas de Virgo avec l’utilisation d’une technique d’optique quantique. en utilisant les « états compressés du lumière « . Au total, 39 sources supplémentaires ont été découvertes en plus des 11 précédemment mises en évidence. La grande majorité d’entre elles sont des collisions entre deux trous noirs dans un système binaire, collisions deétoiles à neutrons mais, pour le moment, d’aucune rencontre catastrophique entre un trou noir et une étoile à neutrons, ou plus précisément, dont nous n’avons aucune preuve convaincante. Nous pouvons explorer la version interactive de la figure ci-dessous montrant les masses des étoiles étudiées.

Les premières détections ont permis de poser de nouvelles contraintes sur la théorie de la relativité générale et les théories alternatives proposées ainsi que sur l’existence de trous noirs prédits par la théorie de laEinstein, qui doit avoir un espace-temps qui se comporte selon la fameuse métrique de Kerr pour un trou noir tournant et ses perturbations sous l’effet d’actions physiques extérieures. L’actualité fait de même, mais elle permet aussi de mettre des contraintes sur les populations deétoiles compact, que ce soit sur le nombre de binaires de trous noirs ou sur leétat de la matière dans les étoiles à neutrons, par exemple sous la forme du mythique plasma de quarks-gluons, le quagma. Trois articles sur arXiv fournir plus d’informations sur ce sujet ainsi que les communiqués de presse français des collaborations Ligo-Virgo.

Mais avant d’entrer dans le vif du sujet, c’est une excellente occasion de faire de la publicité à un livre pour enfants sur l’astronomie des ondes gravitationnelles. Nous le devons à deux spécialistes renommés de cette nouvelle science: Tania Regimbau et Mairi Sakellariadou. Voici leur courte présentation du livre.

« L’idée de ce livre est née sur une plage de Nice en septembre 2017, deux ans après la première détection d’ondes gravitationnelles. Cette découverte a secoué le monde scientifique, étant la confirmation ultime de la théorie d’Albert Einstein mais aussi parce qu’elle a marqué le début d’une nouvelle ère astrophysique. La détection des ondes gravitationnelles a reçu le prix Prix ​​Nobel de physique 2017.

Étant tous les deux membres de la collaboration qui a fait cette découverte, nous avons ressenti le désir de la transmettre aux enfants. Nous avons ensuite imaginé un conte depuis l’espace mettant en vedette deux étoiles jumelles qui s’aimaient tellement qu’elles ont fusionné pour rester ensemble pour toujours.

De là est née la première histoire de ce livre qui a marqué le début d’une nouvelle aventure pour nous, puisque trois autres histoires ont suivi … ».

Tests de relativité générale en régime non linéaire

L’avantage de tester la relativité générale avec des trous noirs en collision est qu’il devient possible de vérifier les prédictions de la théorie de la relativité générale en présence de champs forts de gravitation. On est alors dans des régimes où les phénomènes sont décrits par équations non linéaire et où les écarts par rapport aux prédictions de la théorie de la gravité de Newton sont importants. En mécanique des fluides, lorsque le les vitesses d’écoulement sont lents, nous sommes dans le régime dit linéaire pour les équations de Navier-Stokes. le vagues sur l’eau il y a des ondulations et l’eau sort d’un robinet de manière stable et laminaires, comme disent les physiciens. Mais quand un avion passe le Mur de son produisant des ondes de choc lorsque le flux deair autour de ses ailes devient turbulent, il faut faire face à la non-linéarité des équations.

Dans le cas de Système solaire, on peut déjà faire des tests en mode linéaire avec le mouvements planètes et la propagation de ondes électromagnétiquesque ce soit la lumière visible ou les ondes radio. Nous avions donc déjà pu tester la théorie d’Einstein et la comparer à d’autres théories. Les astrophysiciens relativistes ont également joué à ce genre de jeux à plus grande échelle avec l’étude de pulsars et étoiles à proximité orbite autour de notre un trou noir supermassif central. Avec le fusions trous noirs détectés par des instruments comme Ligo-Virgo et bientôt Kagra, nous sommes entrés dans un nouveau domaine que nous commençons tout juste à explorer.

Dans ce cas, nous sommes a priori en présence de trous noirs de kerr, objets dont la structure spatio-temporelle est rigoureusement décrite par une solution des équations d’Einstein ne dépendant que de deux paramètres, la masse M et la moment cinématographique J du trou noir rotatif. On attend donc des formes très précises d’ondes gravitationnelles qui en comparaison, en faisantanalogie avec un instrument de musique, doit permettre de reconnaître de quel instrument il s’agit et même si le son produit est bien celui d’un instrument de musique donné ou est produit par un synthétiseur qui n’imite que jusqu’à un certain point l’instrument en question.

Tout comme le son a une vitesse très précise, les ondes gravitationnelles se propageant dans l’espace-temps doivent se déplacer exactement à la vitesse de la lumière. Ligo et Virgo doivent nous permettre de vérifier que ces ondes sont bien rayonnées à cette vitesse et proviennent bien d’un objet qui peut vibrer comme un trou noir de relativité générale (on pourrait imaginer des variantes, violant par exemple la  » théorème de calvitie « Dans d’autres théories de la gravitation ou montrant la présence d’un cinquième force).

Vrais trous noirs ou imitateurs?

Rappelez-vous que ce qui définit un trou noir est un horizon des événements fermée, donc une région de l’espace-temps d’où rien, pas même la lumière, ne peut sortir. Les théoriciens ont construit des modèles d’étoiles compactes qui en astrophysique se comporteraient presque comme les trous noirs de la relativité générale mais qui ne le seraient pas parce qu’elles n’ont pas d’horizon des événements.

Objets exotique très compact avec une surface solide, presque au niveau de l’horizon des événements, défini par leur masse et leur moment cinétique, pourraient se comporter comme des trous noirs accrétant de la matière. Mais lors d’un processus de collision sur le point de donner un objet du même type, la surface en question refléterait certaines des ondes gravitationnelles produites donnant un signal potentiellement observable.

Aucune signature de ce type n’a été trouvée dans les près de 50 collisions de trous noirs binaires, ce qui renforce notre confiance dans la validité de la théorie du trou noir et aide à comprendre pourquoi le lauréat du prix Nobel Penrose a de bonnes raisons d’être mérité.

Les signaux prédits à partir de ceux observés juste avant la collision réelle, et observés juste après, semblent être en parfait accord avec les prédictions de la relativité générale des trous noirs de Kerr en rotation. On continue également à voir les fameux modes quasi normaux des trous noirs pointer la pointe de leur nez mais aucune trace de polarisation exotique des ondes gravitationnelles en faveur de la théorie des supercordes.

Certaines théories prédisent que le cousin quantique de photon de Champ électromagnétique car le champ gravitationnel, le graviton, aurait une masse comme un proton ou une neutrino. Les ondes gravitationnelles ne se déplaceraient alors pas à la vitesse de la lumière et surtout ces ondes se comporteraient comme un milieu dispersif, donc comme la lumière dans un prisme. On verrait alors des distorsions dans le spectre des ondes gravitationnelles prédites par les collisions de trous noirs.

Ligo et Virgo n’ont vu rien de tel, ni aucun indice de violation de la fameuse invariance de Lorentz, et si l’une des théories alternatives à la théorie d’Einstein a des gravitons avec l’équivalent de la masse d’un proton, elle doit être inférieure à 1,76 × 10^-23 eV / c² comme le disent les physiciens, ce qui signifie qu’un proton est certainement au moins environ cent mille milliards de milliards de fois plus massif qu’un graviton.

La relativité générale d’Einstein est donc à nouveau victorieuse de ses alternatives.