Exploration de la gravité quantique : les physiciens se connectent à l'anneau cosmique des trous noirs

Par Whitney Clavin, Caltech29 mai 2023

Des études dirigées par Caltech proposent de nouveaux tests rigoureux pour la théorie de la relativité générale d'Einstein, 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 les théories de la gravité quantique, 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 les écarts potentiels par rapport à la relativité générale.

New methods will allow for better tests of Einstein's general theory of relativity using LIGOThe Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) is a large-scale physics experiment and observatory supported by the National Science Foundation and operated by Caltech and MIT. It's designed to detect cosmic gravitational waves and to develop gravitational-wave observations as an astronomical tool. It's multi-kilometer-scale gravitational wave detectors use laser interferometry to measure the minute ripples in space-time caused by passing gravitational waves. It consists of two widely separated interferometers within the United States—one in Hanford, Washington and the other in Livingston, Louisiana." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Date LIGO.

La théorie de la relativité générale 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 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 l'élan latéral de la Terre).

La théorie, qui était révolutionnaire au moment où elle a été proposée en 1915, a redéfini la gravité comme une courbure de l'espace-temps. Aussi fondamentale que soit cette théorie pour la nature même de l'espace qui nous entoure, les physiciens disent que ce n'est peut-être pas la fin de l'histoire. Au lieu de cela, ils soutiennent que les théories de la gravité quantique, qui tentent d'unifier la relativité générale avec la physique quantique, détiennent des secrets sur le fonctionnement de notre univers aux niveaux les plus profonds.

L'équation de Dongjun Li et de ses collaborateurs décrit comment les trous noirs sonneraient dans le régime au-delà de la relativité générale. 1 crédit

One place to search for signatures of quantum gravity is in the mighty collisions between black holes, where gravity is at its most extreme. Black holes are the densest objects in the universe—their gravity is so strong that they squeeze objects falling into them into spaghetti-like noodles. When two black holes collide and merge into one larger body, they roil space-time around them, sending ripples called gravitational wavesGravitational waves are distortions or ripples in the fabric of space and time. They were first detected in 2015 by the Advanced LIGO detectors and are produced by catastrophic events such as colliding black holes, supernovae, or merging neutron stars." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">ondes gravitationnelles vers l'extérieur dans toutes les directions.

Dongjun Li. 1 crédit

The National Science Foundation-funded LIGO, managed by Caltech and MIT, has been routinely detecting gravitational waves generated by black holeA black hole is a place in space where the gravitational field is so strong that not even light can escape it. Astronomers classify black holes into three categories by size: miniature, stellar, and supermassive black holes. Miniature black holes could have a mass smaller than our Sun and supermassive black holes could have a mass equivalent to billions of our Sun." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> fusions de trous noirs depuis 2015 (ses observatoires partenaires, Virgo et KAGRA, ont rejoint la chasse en 2017 et 2020, respectivement). Jusqu'à présent, cependant, la théorie de la relativité générale a passé test après test sans aucun signe d'effondrement.

Now, two new Caltech-led papers, in Physical Review X and Physical Review LettersPhysical Review Letters (PRL) is a peer-reviewed scientific journal published by the American Physical Society. It is one of the most prestigious and influential journals in physics, with a high impact factor and a reputation for publishing groundbreaking research in all areas of physics, from particle physics to condensed matter physics and beyond. PRL is known for its rigorous standards and short article format, with a maximum length of four pages, making it an important venue for rapid communication of new findings and ideas in the physics community." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Les lettres d'examen physique 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 dans l'espace-temps qu'ils produisent, les scientifiques recherchent des signes de petites déviations par rapport à la relativité générale qui suggéreraient la présence de la 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 co-auteur 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, rapporte une nouvelle équation unique pour décrire comment les trous noirs sonneraient 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

Le travail s'appuie sur une équation révolutionnaire développée il y a 50 ans par Saul Teukolsky (PhD '73), professeur Robinson d'astrophysique théorique à Caltech. Teukolsky avait développé une équation complexe pour mieux comprendre comment les ondulations de la géométrie spatio-temporelle se propagent autour des trous noirs. Contrairement aux méthodes de relativité numérique, dans lesquelles des 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, 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 fournissent une base cruciale pour l'interprétation des données LIGO. Mais il est extrêmement difficile pour les physiciens de tirer des intuitions directement à partir des résultats numériques. L'équation de Teukolsky nous donne un aperçu intuitif de ce qui se passe dans la phase de sonnerie."

Li et ses collaborateurs ont pu prendre l'équation de Teukolsky et l'adapter pour la première fois aux trous noirs dans le régime au-delà de la relativité générale. "Notre nouvelle équation nous permet de modéliser et de comprendre les ondes gravitationnelles se propageant autour des trous noirs qui sont plus exotiques que ne l'avait prédit Einstein", dit-il.

Yanbei Chen Crédit : Caltech

Le deuxième article, publié dans Physical Review Letters, dirigé par Sizheng Ma, étudiant diplômé de 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 de données utilise une série de filtres pour supprimer les caractéristiques de la sonnerie d'un trou noir prédites par la relativité générale, afin que des signatures potentiellement subtiles, au-delà de la relativité générale, puissent être révélées.

"Nous pouvons rechercher des caractéristiques décrites par l'équation de Dongjun dans les données que LIGO, Virgo et KAGRA collecteront", a déclaré Ma. "Dongjun a trouvé un 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, dit Li. "Au début, je craignais que les signatures prédites par mon équation soient enfouies sous les multiples harmoniques et harmoniques ; heureusement, les filtres de Sizheng peuvent supprimer toutes ces caractéristiques connues, ce qui nous permet de nous concentrer uniquement sur les différences", dit-il.

Chen a ajouté : "En travaillant ensemble, les découvertes de Li et Ma peuvent considérablement augmenter la capacité de notre communauté à sonder la gravité."

Les 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

The first study, titled "Perturbations of spinning black holes beyond General Relativity: Modified Teukolsky equation," was funded by the Simons Foundation, the Brinson Foundation, and the National Science Foundation (NSF). Other authors include Nicolás Yunes of the University of Illinois at Urbana-Champaign. The second study, titled "Black Hole Spectroscopy by Mode Cleaning," was funded by the Brinson Foundation, the Simons Foundation, NSF, and the Australian Research Council Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav). Ling Sun of the Australian National UniversityFounded in 1946, the Australian National University (ANU) is a national research university located in Canberra, the capital of Australia. Its main campus in Acton encompasses seven teaching and research colleges, in addition to several national academies and institutes." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">L'Université nationale australienne est également co-auteur.