Lorsque des trous noirs entrent en collision et fusionnent pour former des trous noirs encore plus massifs, ce processus violent envoie des ondulations à travers le tissu même de l’espace. Un nouveau modèle indique comment ces ondes gravitationnelles interagissent les unes avec les autres lorsqu’elles se propagent dans l’espace-temps, l’unification de l’espace et du temps popularisée par la théorie de la relativité restreinte d’Albert Einstein.
En présentant une image plus claire de la façon dont les collisions de trous noirs définissent la “sonnerie” de l’espace-temps, le modèle pourrait indiquer comment les scientifiques sur Terre peuvent en savoir plus sur les événements qui les déclenchent à l’aide de détecteurs d’ondes gravitationnelles tels que le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO ). LIGO a fait la première détection d’ondes gravitationnelles provenant de la fusion de trous noirs en 2015, le signal étant ensuite nommé GW150914.
Auparavant, lorsque les physiciens ont modélisé les fusions de trous noirs et les ondes gravitationnelles qu’ils envoient dans l’espace, ils ne l’ont fait qu’avec des mathématiques linéaires, sans tenir compte de la façon dont ces ondes s’influencent ou interagissent les unes avec les autres lorsqu’elles se propagent vers l’extérieur. En tenant compte de ces interactions, une équipe de chercheurs pense pouvoir modéliser plus en détail les collisions de trous noirs, révéler ce que l’on appelle des effets non linéaires et mettre à l’épreuve la relativité générale lorsqu’il s’agit de trous noirs.
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La clé de ce nouveau modèle de supercalculateur, créé par le Simulation d’espaces-temps extrêmes (s’ouvre dans un nouvel onglet) (SXS), simule ces collisions et ondes gravitationnelles plus en détail pour révéler ces effets non linéaires.
“Les effets non linéaires sont ce qui se passe lorsque les vagues sur la crête de la plage et s’écrasent”, a déclaré Keefe Mitman, étudiant diplômé du California Institute of Technology (CalTech) et membre de l’équipe SXS. déclaration. (s’ouvre dans un nouvel onglet) “Les ondes interagissent et s’influencent les unes les autres 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 nous ne les avions pas vus dans nos modèles jusqu’à présent.”
Mitman a poursuivi en ajoutant que les nouvelles méthodes de l’équipe SXS pour extraire les formes d’onde de leurs simulations ont permis de voir les effets non linéaires de la propagation des ondes gravitationnelles.
Modèles d’ondes gravitationnelles linéaires vs non linéaires
Mitman a donné une analogie pour décrire la différence entre les modèles d’ondes gravitationnelles linéaires et non linéaires.
“Imaginez qu’il y a deux personnes sur un trampoline. S’ils sautent doucement, ils ne devraient pas trop influencer l’autre personne. C’est ce qui arrive quand on dit qu’une théorie est linéaire”, a expliqué. “Mais si une personne commence à rebondir avec plus d’énergie, le trampoline se déformera et l’autre personne commencera à ressentir son influence.
“C’est ce que nous entendons par non linéaire : les deux personnes sur le trampoline connaissent de nouvelles oscillations en raison de la présence et de l’influence de l’autre personne.”
Dans les nouvelles simulations, les collisions de trous noirs produisent de nouveaux types d’ondes, Mitman disant que creuser plus profondément sous les ondes gravitationnelles plus grandes révèle de nouvelles ondes supplémentaires avec leur propre fréquence unique.
Le fondateur de l’équipe SXS est Saul Teukolsky Robinson, professeur d’astrophysique théorique à CalTech et à l’Université Cornell. Il a également été le premier à comprendre comment utiliser les équations de la relativité générale pour modéliser l’étape de collision d’un trou noir appelée “le ringdown” qui se produit immédiatement après la collision et la fusion des deux objets célestes et à quel point les ondes gravitationnelles sont à leur plus haut. amplitude.
“Des superordinateurs sont nécessaires pour effectuer un calcul précis de l’ensemble du signal : l’inspiration des deux trous noirs en orbite, leur fusion et la stabilisation en un seul trou noir résiduel au repos”, a déclaré Teukolsky. “Le nouveau traitement non linéaire de cette phase permettra une modélisation 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.”
L’équipe SXS espère que les résultats ouvriront la voie à la prochaine génération de détections d’ondes gravitationnelles qui devraient approfondir notre compréhension de ce phénomène prédit pour la première fois en 1915 mais détecté seulement 100 ans plus tard, et de la gravité en général.
Les recherches de l’équipe sont documentées dans un papier (s’ouvre dans un nouvel onglet) sur le référentiel papier ArXiv et publié le 21 février dans la revue Physical Review Letters.
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