Deux étoiles tournent l'une autour de l'autre, se rapprochant progressivement. Leur danse perd de l'énergie, et cette énergie s'échappe dans l'espace sous forme d'ondes gravitationnelles, et parfois d'autres champs. Un groupe de physiciens dirigé par Stephen Hawking (bien qu'il ne soit pas l'auteur de ce travail, son nom est familier à beaucoup) s'est demandé : combien de rotation exactement chaque particule de ce rayonnement emporte-t-elle ?
Il s'avère que le compte est très strict. Chaque graviton — le quantum d'onde gravitationnelle — emporte une portion de rotation égale à environ deux constantes de Planck (c'est l'unité fondamentale de rotation quantique). En revanche, les particules de rayonnement scalaire et vectoriel (des ondes d'un autre type, plus simples que les ondes gravitationnelles) emportent exactement une telle portion. C'est comme un facteur qui ne livre toujours le courrier qu'en paquets de deux ou d'un — et pas autrement. Étonnamment, la règle fonctionne non seulement pour les orbites elliptiques allongées, mais aussi pour les orbites hyperboliques ouvertes, lorsque les étoiles se séparent pour toujours.
Les scientifiques ont également montré que toute l'énergie et la rotation émises peuvent être calculées simplement en observant comment la fréquence de révolution des étoiles et l'allongement de leur orbite changent. Mais il y a un hic : il est impossible de séparer la partie de la rotation d'une particule qui est intrinsèque (le spin) de celle qui est due au mouvement orbital autour du centre de masse. C'est comme essayer de comprendre si une toupie tourne sur elle-même ou seulement court en rond — de l'extérieur, on ne peut pas distinguer.
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2608.02742v1
We compute the energy and angular momentum radiated by compact binaries through gravitational waves, scalar and vector fields, using the field-theoretic approach. We observe that each emitted graviton carries away an angular momentum of $$\dot{J}/\dot {N}\simeq 2\hbar$$, not only for elliptical orbits (as has already been pointed out by Page [arXiv:2409.00305]) but also for hyperbolic orbits. We extend the analysis to scalar and vector radiation and find that the angular momentum carried by each emitted quantum of radiation is approximately $$\hbar$$, i.e., $$\dot{J}/\dot{N}\simeq \hbar$$ for both types of radiation. We demonstrate that the radiated energy and angular momentum of binary systems can be determined from the evolution of the orbital angular frequency and the eccentricity of the quasi-Kepler orbit. However, a gauge-invariant decomposition of the angular momentum carried by the emitted particles into the spin and orbital components is not possible.
La rotation emportée par une onde gravitationnelle d'une paire typique d'étoiles à neutrons est comparable au moment cinétique de la Terre dans son mouvement autour du Soleil — mais elle est libérée en une fraction de seconde.
Dans le roman « Contact » de Carl Sagan, les extraterrestres utilisent les ondes gravitationnelles pour communiquer — peut-être savent-ils moduler précisément ces portions de rotation dont parle l'article.