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La détection des ondes gravitationnelles en 2016 a fait entrer l’astrophysique dans une nouvelle ère d’observation de l’Univers. Ces ondes peuvent aider les scientifiques à en apprendre plus sur le Big Bang, la formation des galaxies et les différents phénomènes cosmiques. Bien que des interféromètres comme LIGO et Virgo soient en permanence en alerte afin de détecter ces faibles signaux, des physiciens ont démontré que les ondes laissaient des empreintes qui pourraient permettre de les détecter même après leur passage.

« Que les ondes gravitationnelles puissent laisser des modifications permanentes sur un détecteur après son passage est l’une des prédictions plutôt inhabituelles de la relativité générale » déclare le physicien Alexander Grant, auteur principale de l’étude publiée dans la revue Physical Review D.

Les physiciens savent depuis longtemps que les ondes gravitationnelles laissent une empreinte sur les particules le long de leur trajet et ont identifié cinq de ces signatures. Mais des chercheurs ont maintenant découvert trois autres effets consécutifs au passage d’une onde gravitationnelle, des « observables persistantes d’ondes gravitationnelles », qui pourraient un jour aider à identifier plus efficacement ces ondes qui traversent l’Univers.

detecteur interferometre ligo

LIGO, l’un des interféromètres permettant de détecter les ondes gravitationnelles sur Terre, surveille quotidiennement notre planète à la recherche de signaux gravitationnels. Crédits : LIGO/Caltech

Selon Grant, chaque nouvel observable fournit différentes façons de confirmer la théorie de la relativité générale et donne un aperçu des propriétés intrinsèques des ondes gravitationnelles. Les chercheurs ont déclaré que ces propriétés pourraient aider à extraire des informations du fond diffus cosmologique.

« Ce qui a été surprenant pour moi dans cette recherche, c’est la façon dont différentes idées étaient parfois liées de manière inattendue. Nous avons examiné une grande variété d’observables différents et avons constaté que, souvent, connaître l’une d’elle nécessitait de comprendre l’autre » indique Grant.

Trois observables pour détecter le passage des ondes gravitationnelles

Les chercheurs ont identifié trois observables qui montrent les effets des ondes gravitationnelles dans une région plate dans l’espace-temps qui subit un sursaut d’ondes gravitationnelles, après quoi elle redevient une région plate. La première observable, la « déviation de courbe »,  est la distance séparant deux observateurs en accélération, par rapport à la manière dont des observateurs avec les mêmes accélérations se sépareraient l’un de l’autre dans un espace plat non perturbé par une onde gravitationnelle.

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La deuxième observation, « holonomie », est obtenue par le transport d’informations sur le moment cinétique et linéaire d’une particule le long de deux courbes différentes par les ondes gravitationnelles et en comparant les deux résultats différents. La troisième examine l’impact des ondes gravitationnelles sur le déplacement relatif de deux particules lorsque l’une des particules a un spin intrinsèque.

test signatures observables

Chaque observable, A) déviation de courbe , B) holonomie et C) spin intrinsèque, peut faire l’objet d’une vérification expérimentale différente. Cependant, l’holonomie demande des moyens technologiques que les chercheurs ne possèdent pas encore. Crédits : Éanna É. Flanagan et al. 2019

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Chacune de ces observables est définie par les chercheurs de manière à pouvoir être mesurée par un détecteur. Les procédures de détection de la déviation de la courbe et des particules en rotation sont « relativement simples à réaliser » écrivent les chercheurs, ne demandant que « un moyen de mesurer la séparation et permettant aux observateurs de suivre leurs accélérations respectives » .

Détecter l’holonomie serait plus difficile, « obligeant deux observateurs à mesurer la courbure locale de l’espace-temps (potentiellement en transportant eux-mêmes de petits détecteurs d’ondes gravitationnelles) ». Compte tenu de la taille nécessaire pour que LIGO puisse détecter une seule onde gravitationnelle, la capacité de détecter des observables d’holonomie est au-delà de la portée de la science actuelle, affirment les chercheurs.

« Mais nous avons déjà vu beaucoup de choses intéressantes avec les ondes gravitationnelles, et nous en verrons beaucoup plus. Il est même prévu d’installer un détecteur d’ondes gravitationnelles dans l’espace, qui serait sensible à d’autres sources que LIGO » conclut Flanagan.

Source : Physical Review D

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