Comment la gravité repeint les ondes gravitationnelles express
La lumière change de direction dans une lentille, tout le monde le sait. Les ondes gravitationnelles, en passant près d'un corps massif, voient aussi leur trajectoire se courber. Mais les auteurs de ces travaux sont allés plus loin : que se passe-t-il avec la « couleur » même de l'onde — sa polarisation, c'est-à-dire la direction des oscillations ?
Habituellement, pour les calculs, on utilise soit l'approximation de l'optique géométrique (comme pour la lumière), soit l'intégrale de Kirchhoff complexe. Mais ces deux méthodes négligent les détails de la polarisation. En s'appuyant sur le formalisme de Newman-Penrose, les auteurs ont réduit les équations des ondes gravitationnelles à un ensemble d'équations scalaires et ont dérivé des formules explicites pour les quantités décrivant la polarisation. Ensuite, ils ont combiné les deux approches — la solution pour la déviation des rayons et le transport de la polarisation le long de ceux-ci — et ont obtenu un système que l'on peut résoudre.
En l'appliquant à un trou noir de Schwarzschild (le plus simple, sans rotation), ils ont montré numériquement que des « fantômes » apparaissent dans le signal : des modes vectoriels et scalaires. Ce ne sont pas de nouveaux types d'ondes, mais simplement le résultat du fait que la lentille brouille le plan de polarisation et déforme le front d'onde. L'effet est purement dû à la courbure de l'espace-temps — aucune nouvelle physique.
Ce calcul détaillé est important pour les futurs détecteurs : si nous voyons des modes « supplémentaires » dans un signal lentillé, nous ne les confondrons pas avec de l'exotisme, mais nous comprendrons que c'est simplement la lumière (ou plutôt la gravité) qui a joué avec nous.
Le lentillage gravitationnel des ondes a été prédit par Einstein lui-même, mais ce n'est qu'en 2015, après la première détection des ondes gravitationnelles, que l'espoir de capturer un tel effet est apparu. Jusqu'à présent, aucun signal lentillé n'a été détecté de manière certaine.
Dans le film « Interstellar », les héros utilisent des anomalies gravitationnelles pour transmettre des messages à travers l'espace-temps — c'est à peu près ainsi que les distorsions du front d'onde peuvent transporter des informations sur les objets massifs sur le chemin.