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Lorsque vous frappez une cloche avec un marteau, elle sonne un certain temps après le coup : le métal vibrant continuant de résonner. Et, il s’avère que lorsque vous frappez un trou noir avec un autre trou noir, quelque chose de similaire se produit, mais au lieu d’ondes sonores, le trou noir nouvellement formé envoie des ondes gravitationnelles ondulant à travers l’univers.

Ces ondes gravitationnelles sont comme un accord composé de notes. Selon la théorie de la relativité générale d’Einstein, ce son devrait contenir des informations sur la masse et la rotation du trou noir en question.

À présent, dans un tout nouveau test de la relativité, une équipe d’astronomes a découvert comment extraire des “notes individuelles” dans cet accord : ou plutôt, comment extraire des fréquences individuelles dans les ondes gravitationnelles émises par le trou noir. Pour la toute première fois, l’équipe de scientifiques en a détectés deux, quelque chose qui était, jusqu’à présent, jugé impossible avec la technologie actuelle.

Au cours de leur fusion, deux trous noirs de masses similaires peuvent perdre jusqu’à 5% de leur masse sous forme d’ondes gravitationnelles. Crédits : R. Hurt/Caltech/JPL

Puis, selon et grâce à la relativité générale, les scientifiques ont été capables de mesurer la masse et la rotation du trou noir. Et ils ont également pu déduire qu’il s’agissait des seules propriétés détectables du trou noir, ce qui étaye le théorème de calvitie (ou d’absence de chevelure, également connu sous le nom de théorème d’unicité), qui est le théorème en vertu duquel, même en relativité générale, les trous noirs ne peuvent être caractérisés que par la masse et le spin (toutes les autres propriétés étant des « cheveux »).

« Nous nous attendons tous à ce que la relativité générale soit correcte, mais il s’agit de la toute première fois que nous la confirmons de cette manière », a déclaré le physicien Maximiliano Isi de l’Institut Kavli pour la recherche spatiale et astrophysique au MIT. « C’est la première mesure expérimentale qui permet de tester directement le théorème de l’absence de calvitie. Cela ne signifie pas que les trous noirs ne peuvent pas avoir de ‘cheveux’. Cela signifie que l’image des trous noirs sans poil dure encore », a-t-il ajouté.

La collision de trous noirs en question était la toute première jamais détectée en septembre 2015, connue sous le nom de GW 150914. Les scientifiques ont traduit les ondes gravitationnelles en ondes sonores, produisant ainsi un signal de « sifflement », et voici à quoi cela ressemble :

Juste au moment où les deux trous noirs fusionnent en un seul trou noir, il y a une très brève période de temps pendant laquelle le nouveau trou noir oscille, émettant des ondes gravitationnelles plus faibles. C’est ce qu’on appelle la neutralisation, et les scientifiques avaient supposé que cela serait trop faible pour être détecté ou analysé après le pic de l’onde gravitationnelle au moment de la collision.

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Auparavant, l’astrophysicien Matthew Giesler de Caltech et ses collègues avaient déterminé, par le biais de simulations, que juste après le pic de l’onde gravitationnelle, la « sonnerie » incluait une cacophonie nuancée, soit avec des sons forts et de courte durée. En analysant le son de la collision dans le contexte de la cacophonie nuancée, l’équipe de recherche a pu isoler la « signature » du nouveau trou noir.

Les ondes gravitationnelles sont produites par la modification de la métrique de l’espace-temps sous le changement de distribution de matière-énergie. Elles transportent donc une partie de l’information issue de la fusion des trous noirs. Crédits : LIGO

Isi et son équipe ont pris ce travail et l’ont appliqué à GW 150914, en se concentrant sur le moment précis, juste après le pic de l’onde gravitationnelle. Et, de ce fait, ils ont pu isoler la signature sonore du trou noir nouvellement formé : les chercheurs ont même identifié deux tons distincts, correspondant à des fréquences vibratoires distinctes du nouveau trou noir. « C’était un résultat très surprenant. La sagesse conventionnelle était que, lorsque le trou noir résiduel se serait installé pour permettre la détection de tous les sons, les harmoniques auraient disparu presque complètement », a déclaré l’astrophysicien théorique Saul Teukolsky, de l’Université Cornell. « Mais au lieu de cela, il s’avère que les harmoniques sont détectables avant que la tonalité principale ne soit visible », a ajouté Teukolsky.

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Il faut également savoir qu’Einstein a prédit que le ton et la décroissance des notes lors de la collision avec un trou noir seraient un produit direct de la masse et de la rotation du nouveau trou noir. L’équipe a pu mesurer le pitch et la chute des deux tons, ce qui leur a permis de sonder les propriétés du trou noir.

La masse et le spin calculés à partir de la tonalité et de la décroissance des notes correspondent aux mesures précédentes de ces deux propriétés, ce qui démontre que la détection des harmoniques de la réduction d’un trou noir peut être accomplie aujourd’hui avec les méthodes actuelles. Cela signifie également que la technologie future pourrait être encore plus précise et performante.

« Dans le futur, nous aurons de meilleurs détecteurs sur Terre et dans l’espace, et nous pourrons voir non seulement deux, mais des dizaines de modes, et définir précisément leurs propriétés », a déclaré Isi. « Si ce ne sont pas des trous noirs comme le prédit Einstein, s’ils sont des objets plus exotiques comme des trous de ver ou des étoiles de boson, ils ne sonneront peut-être pas de la même manière et nous aurons une chance de les voir », a ajouté Isi.

Source : Physical Review Letters

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