Les simulations montrent les conséquences de la collision d'un trou noir

May 11, 2023

Nouvelles simulations de deux trous noirsdes collisions proches de la vitesse de la lumière révèlent la physique mystérieuse de ce qu'un astrophysicien appelle "l'un des événements les plus violents que vous puissiez imaginer dans l'univers".

"C'est un peu fou de faire exploser deux trous noirs de front très près de la vitesse de la lumière", a déclaré Thomas Helfer, chercheur postdoctoral à l'Université Johns Hopkins qui a produit les simulations. "Les ondes gravitationnelles associées à la collision peuvent sembler décevantes, mais c'est l'un des événements les plus violents que vous puissiez imaginer dans l'univers."

Le travail, qui apparaît dans Physical Review Letters, est le premier aperçu détaillé des conséquences d'un choc aussi cataclysmique et montre comment un trou noir résiduel se formerait et enverrait des ondes gravitationnelles à travers le cosmos.

Les fusions de trous noirs sont l'un des rares événements de l'univers suffisamment énergétiques pour produire des ondes gravitationnelles détectables, qui transportent l'énergie produite par des collisions cosmiques massives. Comme des ondulations dans un étang, ces ondes traversent l'univers en déformant l'espace et le temps. Mais contrairement aux ondes qui voyagent dans l'eau, elles sont extrêmement minuscules et se propagent dans "l'espace-temps", le concept hallucinant qui combine les trois dimensions de l'espace avec l'idée du temps.

"Si une onde gravitationnelle me traverse, cela me rend un peu plus mince et un peu plus grand, puis un peu plus petit et un peu plus gros", a déclaré le co-auteur Emanuele Berti, physicien de Johns Hopkins. "Mais la quantité par laquelle il le fait est environ 100 000 fois plus petite que la taille d'un noyau atomique."

Les physiciens ont étudié les ondes émises après la fusion des trous noirs en simplifiant la relativité générale - la théorie d'Einstein sur le fonctionnement de la gravité - en utilisant des équations qui ignorent les effets gravitationnels subtils mais importants de la fusion. Berti pense que cette approche est biaisée car elle repose sur des "approximations linéaires", l'hypothèse selon laquelle les ondes gravitationnelles produites lors de la fusion sont faibles.

Bien qu'il soit presque impossible que des trous noirs entrent en collision à des vitesses aussi extrêmes, la simulation d'un tel crash a produit des signaux suffisamment puissants pour que l'équipe détecte des non-linéarités ou des effets gravitationnels qui ne peuvent pas être trouvés avec la version simplifiée de la théorie. Les résultats suggèrent que les fusions de trous noirs ne peuvent pas être étudiées avec des équations linéarisées et que les modèles actuels de ces événements doivent être modifiés, voire complètement modifiés.

"La relativité générale est non linéaire, ce qui signifie que les ondes gravitationnelles elles-mêmes produiront également plus d'ondes gravitationnelles", a déclaré Mark Ho-Yeuk Cheung, un doctorant en physique de Johns Hopkins qui a dirigé la recherche.

L'équipe a également repéré ces soi-disant non-linéarités en analysant des simulations de deux trous noirs fusionnant après s'être mis en orbite, un scénario qui représente de manière plus réaliste ce qui se passe dans l'univers. Une étude des mêmes simulations par un groupe indépendant de chercheurs de Caltech apparaît également dans les Physical Review Letters d'aujourd'hui et trouve des résultats similaires.

"C'est un gros problème parce que nous ne pouvons pas oublier les complications si nous voulons vraiment comprendre les trous noirs", a déclaré Cheung. "La théorie d'Einstein est une bête ; les équations sont vraiment compliquées."

Les auteurs incluent Vishal Baibhav, de la Northwestern University ; Vitor Cardoso, de l'Institut Niels Bohr et de l'Université de Lisbonne ; Gregorio Carullo, de l'Université Friedrich Schiller d'Iéna ; Roberto Cotesta, de Johns Hopkins ; Walter Del Pozzo, de l'Université de Pise ; Francisco Duque, de l'Université de Lisbonne ; Estuti Shukla, de l'Université d'État de Pennsylvanie ; et Kaze Wong, du Flatiron Institute. Baibhav et Wong sont d'anciens étudiants de Johns Hopkins.

Cette recherche a été soutenue par la Fondation Croucher, NSF Grants No. AST-2006538, PHY-2207502, PHY- 090003 et PHY-20043, et NASA Grants No. 19-ATP19-0051, 20-LPS20- 0011 et 21-ATP21- 0010. Ce travail a été produit avec des ressources informatiques au Maryland Advanced Research Computing Center et au Texas Advanced Computing Center.

- Ce communiqué de presse a été initialement publié sur le site Web de l'Université Johns Hopkins