Des études menées par le Caltech proposent de nouveaux tests rigoureux de la théorie générale de la relativité d’Einstein, en recherchant des signes de gravité quantique dans les ondulations de l’espace-temps générées par les collisions de trous noirs. Une étude présente une équation pour le comportement des trous noirs dans le cadre des théories de la gravité quantique, en s’appuyant sur des travaux antérieurs, tandis que la seconde suggère une méthode pour appliquer cette équation aux données de LIGO, un observatoire d’ondes gravitationnelles, afin de détecter des déviations potentielles par rapport à la relativité générale.
De nouvelles méthodes permettront de mieux tester la théorie générale de la relativité d’Einstein à l’aide des données de LIGO.
La théorie générale de la relativité d’Albert Einstein décrit comment le tissu de l’espace et du temps, ou espace-temps, est courbé en réponse à la masse. Notre soleil, par exemple, déforme l’espace autour de nous de telle sorte que la planète Terre roule autour du soleil comme une bille jetée dans un entonnoir (la Terre ne tombe pas dans le soleil en raison de son élan latéral).
Cette théorie, révolutionnaire à l’époque où elle a été proposée en 1915, a refondu la gravité en une courbure de l’espace-temps. Bien que cette théorie soit fondamentale pour la nature même de l’espace qui nous entoure, les physiciens affirment qu’elle pourrait ne pas être la fin de l’histoire. Ils affirment au contraire que les théories de la gravité quantique, qui tentent d’unifier la relativité générale et la physique quantique, recèlent des secrets sur le fonctionnement de notre univers au plus profond.
L’équation de Dongjun Li et de ses collaborateurs décrit comment les trous noirs sonneraient dans le régime de la relativité générale. Crédit : Caltech
L’un des endroits où l’on peut rechercher des signatures de la gravité quantique est dans les puissantes collisions entre les trous noirs, où la gravité est la plus extrême. Les trous noirs sont les objets les plus denses de l’univers. Leur gravité est si forte qu’ils réduisent les objets qui y tombent en nouilles semblables à des spaghettis. Lorsque deux trous noirs entrent en collision et fusionnent en un seul corps plus grand, ils agitent l’espace-temps autour d’eux, envoyant des ondulations appelées ondes gravitationnelles dans toutes les directions.
Dongjun Li. Crédit : Caltech
LIGO, financé par la National Science Foundation et géré par le Caltech et le MIT, détecte régulièrement les ondes gravitationnelles générées par les fusions de trous noirs depuis 2015 (ses observatoires partenaires, Virgo et KAGRA, se joindront à la chasse en 2017 et 2020, respectivement). Jusqu’à présent, cependant, la théorie générale de la relativité a passé test sur test, sans aucun signe d’effondrement.
Aujourd’hui, deux nouveaux articles dirigés par le Caltech, publiés dans Physical Review X et Physical Review Letters, décrivent de nouvelles méthodes pour soumettre la relativité générale à des tests encore plus rigoureux. En examinant de plus près les structures des trous noirs et les ondulations de l’espace-temps qu’ils produisent, les scientifiques recherchent des signes de petites déviations par rapport à la relativité générale qui indiqueraient la présence d’une gravité quantique.
« Lorsque deux trous noirs fusionnent pour produire un trou noir plus grand, le trou noir final sonne comme une cloche », explique Yanbei Chen (PhD ’03), professeur de physique à Caltech et coauteur des deux études. « La qualité de la sonnerie, ou son timbre, peut être différente des prédictions de la relativité générale si certaines théories de la gravité quantique sont correctes. Nos méthodes sont conçues pour rechercher des différences dans la qualité de cette phase de sonnerie, comme les harmoniques et les harmoniques, par exemple ».
Le premier article, codirigé par Dongjun Li, étudiant diplômé à Caltech, et Pratik Wagle, étudiant diplômé à l’université de l’Illinois à Urbana-Champaign, fait état d’une nouvelle équation unique décrivant la manière dont les trous noirs s’annulent dans le cadre de certaines théories de la gravité quantique, ou dans ce que les scientifiques appellent le régime au-delà de la relativité générale.
Sizheng Ma. Crédit : Caltech
Ces travaux s’appuient sur une équation révolutionnaire élaborée il y a 50 ans par Saul Teukolsky (PhD ’73), professeur d’astrophysique théorique à Caltech. Teukolsky avait développé une équation complexe pour mieux comprendre comment les ondulations de la géométrie de l’espace-temps se propagent autour des trous noirs. Contrairement aux méthodes de relativité numérique, dans lesquelles les superordinateurs doivent résoudre simultanément de nombreuses équations différentielles relatives à la relativité générale, l’équation de Teukolsky est beaucoup plus simple à utiliser et, comme l’explique Li, elle fournit un aperçu physique direct du problème.
« Si l’on veut résoudre toutes les équations d’Einstein d’une fusion de trous noirs pour la simuler avec précision, il faut se tourner vers les superordinateurs », explique Li. « Les méthodes de relativité numérique sont extrêmement importantes pour simuler avec précision les fusions de trous noirs, et elles constituent une base essentielle pour l’interprétation des données LIGO. Mais il est extrêmement difficile pour les physiciens de tirer des intuitions directement des résultats numériques. L’équation de Teukolsky nous donne un aperçu intuitif de ce qui se passe dans la phase d’annulation ».
Li et ses collaborateurs ont pu, pour la première fois, adapter l’équation de Teukolsky aux trous noirs dans le régime de la relativité générale. « Notre nouvelle équation nous permet de modéliser et de comprendre les ondes gravitationnelles qui se propagent autour des trous noirs et qui sont plus exotiques que ce qu’avait prédit Einstein », explique-t-il.
Yanbei Chen . Crédit : Caltech
Le second article, publié dans Physical Review Letters et dirigé par Sizheng Ma, étudiant diplômé du Caltech, décrit une nouvelle façon d’appliquer l’équation de Li aux données réelles acquises par LIGO et ses partenaires lors de leur prochaine campagne d’observation. Cette approche d’analyse des données utilise une série de filtres pour supprimer les caractéristiques de l’anneau d’un trou noir prédites par la relativité générale, de sorte que des signatures potentiellement subtiles, au-delà de la relativité générale, puissent être révélées.
« Nous pouvons rechercher les caractéristiques décrites par l’équation de Dongjun dans les données que LIGO, Virgo et KAGRA collecteront », explique M. Ma. « Dongjun a trouvé le moyen de traduire un grand nombre d’équations complexes en une seule équation, ce qui est extrêmement utile. Cette équation est plus efficace et plus facile à utiliser que les méthodes que nous utilisions auparavant.
Les deux études se complètent bien, selon Li. « Je craignais au départ que les signatures prédites par mon équation ne soient noyées sous les multiples harmoniques et harmoniques ; heureusement, les filtres de Sizheng peuvent supprimer toutes ces caractéristiques connues, ce qui nous permet de nous concentrer sur les différences », ajoute-t-il.
Chen ajoute : « En travaillant ensemble, les découvertes de Li et Ma peuvent considérablement renforcer la capacité de notre communauté à sonder la gravité ».
Références :
« Perturbations of Spinning Black Holes beyond General Relativity : Modified Teukolsky Equation » par Dongjun Li, Pratik Wagle, Yanbei Chen et Nicolás Yunes, 25 mai 2023, Physical Review X.
DOI: 10.1103/PhysRevX.13.021029
« Black Hole Spectroscopy by Mode Cleaning » par Sizheng Ma, Ling Sun et Yanbei Chen, 4 avril 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.141401
La première étude, intitulée « Perturbations des trous noirs en rotation au-delà de la relativité générale : Modified Teukolsky equation », a été financée par la Simons Foundation, la Brinson Foundation et la National Science Foundation (NSF). Parmi les autres auteurs figurent Nicolás Yunes, de l’université de l’Illinois à Urbana-Champaign. La seconde étude, intitulée « Black Hole Spectroscopy by Mode Cleaning », a été financée par la Brinson Foundation, la Simons Foundation, la NSF et le Australian Research Council Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav). Ling Sun, de l’Université nationale australienne, est également coauteur.