L'anneau réverbérant des fusions de trous noirs pourrait aider à tester la théorie d'Einstein

Elen11 / iStock

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Les scientifiques visent depuis longtemps à combiner la théorie de la relativité générale d'Einstein avec notre compréhension du monde de la mécanique quantique dans une théorie unifiée de la gravité quantique.

Afin de se rapprocher de la construction de cette théorie unifiée, les scientifiques doivent continuer à mettre la théorie de la relativité à l'épreuve.

Maintenant, deux nouveaux articles de scientifiques de Caltech détaillent comment nous pouvons examiner les structures des trous noirs et les ondes gravitationnelles qu'ils produisent, plus en détail afin de nous rapprocher du Saint Graal des théories scientifiques.

Les scientifiques de Caltech visent à analyser les observations de trous noirs afin de trouver de petits écarts par rapport à la relativité générale qui pourraient suggérer la présence de gravité quantique.

Les articles, publiés dans Physical Review X et Physical Review Letters, se concentrent sur les anneaux de trous noirs. Ceux-ci ne font pas référence aux disques d'accrétion caractéristiques des trous noirs, mais à l'anneau de trous noirs en forme de gong lorsqu'ils se heurtent lors d'une fusion.

"Lorsque deux trous noirs fusionnent pour produire un trou noir plus grand, le trou noir final sonne comme une cloche", a expliqué Yanbei Chen, professeur de physique à Caltech et co-auteur des deux études dans un communiqué de presse. "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 des deux nouveaux articles détaille une nouvelle équation unique qui décrit comment les trous noirs sonneraient sur la base de théories spécifiques de la gravité quantique. Le travail s'appuie sur une équation développée il y a 50 ans par Saul Teukolsky à Caltech, qui a simplifié le processus de compréhension de la façon dont la géométrie spatio-temporelle est affectée par les trous noirs.

"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", a déclaré Dongjun Li, étudiant diplômé et co-responsable du nouveau document. "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."

"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", a-t-il poursuivi.

Le deuxième article, quant à lui, décrit une méthode pour appliquer l'équation de Dongjun aux données d'ondes gravitationnelles acquises par le Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory (LIGO), qui a récemment commencé sa quatrième campagne d'observation.

La nouvelle méthode utilise des filtres pour supprimer les caractéristiques de la sonnerie d'un trou noir qui sont prédites par la relativité générale. Ce faisant, les scientifiques espèrent pouvoir détecter des signatures subtiles liées à la gravité quantique.

"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", a déclaré Dongjun.

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