En septembre 2015, des ondes gravitationnelles étaient détectées pour la première fois par le détecteur du Ligo aux États-Unis. Le phénomène à l'origine : une collision de trous noirs. Depuis, les chercheurs tentent de modéliser ces cataclysmes. Et une récente étude s'approche plus que jamais de la réalité de ces événements astrophysiques.
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En 2015, des ondes gravitationnellesondes gravitationnelles étaient capturées pour la première fois par l'interféromètre Ligo, situé aux États-Unis. Depuis, LigoLigo et VirgoVirgo (en Italie) ont permis la découverte de près de 100 fusions de trous noirs, des cataclysmes astrophysiques qui déforment suffisamment l'espace-temps pour envoyer des ondes gravitationnelles jusqu'à nous. En parallèle, les modèles progressent de plus en plus pour rendre compte du phénomène.
Et une nouvelle étude publiée dans Physical Review Letters et disponible sur ArXiv vient d'améliorer considérablement la reproduction informatique des fusions de trous noirs. « C'est un grand pas en avant pour nous préparer à la prochaine phase de détection des ondes gravitationnelles, qui approfondira notre compréhension de la gravitégravité et de ces phénomènes incroyables qui se déroulent dans les confins du cosmoscosmos », a déclaré Macarena Lagos dans un communiqué, coauteure de l'étude. Pour ça, les chercheurs ont pris en compte certains effets non linéaires, qui n'étaient pas intégrés aux modèles jusqu'à aujourd'hui.
De nouveaux effets non linéaires pris en compte dans les simulations
Plus exactement, l'équipe explique avoir ajouté des effets de second ordre de la théorie des perturbations, utilisée pour reproduire les collisions de trous noirs. Ils décrivent ces ajouts essentiels pour modéliser les amortissements. Car les ondes gravitationnelles peuvent être vues comme les autres types d'ondes, notamment comme des vaguesvagues ! Le principe est le même : les ondes s'influencent entre elles, tout comme les vagues. Et les contributions linéaires ne prennent pas ces interactions en compte.
« Les effets non linéaires sont ce qui se passe lorsque les vagues culminent et déferlent sur la plage, a expliqué Keefe Mitman, premier auteur de l'étude et étudiant diplômé de Caltech. Les vagues interagissent et s'influencent plutôt que de rouler par elles-mêmes. Avec quelque chose d'aussi violent qu'une fusion de trous noirs, nous nous attendions à ces effets mais ne les avions pas vus dans nos modèles jusqu'à présent. De nouvelles méthodes d'extraction des formes d'onde de nos simulations ont permis de voir les non-linéarités. »
Ligo sera capable de détecter une fusion de trous noirs par heure
Selon les auteurs, ce nouveau modèle pourrait offrir jusqu'à 10 % d'amélioration de la précision globale des modèles de trous noirs. « Des superordinateurssuperordinateurs sont nécessaires pour effectuer un calcul précis de l'ensemble du signal : l'inspiration des deux trous noirs en orbiteorbite, leur fusion et la stabilisation en un seul trou noir résiduel au repos, a complété Saul A. Teukolsky, coauteur de l'étude et l'un des pionniers de la simulation informatiquesimulation informatique des équationséquations de la relativité généralerelativité générale. Le traitement linéaire de la phase d'installation a fait l'objet de ma thèse de doctorat sous Kip il y a longtemps. Le nouveau traitement non linéaire de cette phase permettra une modélisationmodélisation plus précise des ondes et éventuellement de nouveaux tests pour savoir si la relativité générale est, en fait, la bonne théorie de la gravité pour les trous noirs. »
Et leurs résultats tombent à pic, car l'observatoire Ligo redémarrera d'ici peu, après trois ans d'arrêt causés par la pandémiepandémie de Covid-19Covid-19 ! Sa sensibilité a été augmentée de telle sorte qu'il devrait être capable de détecter une fusion de trous noirs par heure. « Nous nous préparons pour le moment où nous serons des détectives des ondes gravitationnelles, lorsque nous creuserons plus profondément pour comprendre tout ce que nous pouvons sur leur nature », a conclu dans un communiqué de l'université Columbia Leo C. Stein, coauteur de l'étude.
