Rendez-vous de deux trous noirs : comment calculer leur danse avec plus de précision express
Deux trous noirs, pris dans une danse, se rapprochent de plus en plus vite et finissent par fusionner en un seul. Cette danse n'est pas silencieuse : elle secoue l'espace et le temps eux-mêmes, et des ondes gravitationnelles se propagent à travers l'Univers. Pour comprendre ce que nous entendons dans ces ondes, il faut un modèle mathématique précis de la danse. L'un des modèles les plus efficaces s'appelle « corps unique effectif » : il remplace les deux trous par une particule imaginaire qui se déplace dans l'espace courbe créé par leur masse commune.
Mais même un bon modèle a une limite de précision. Habituellement, on le construit en décomposant des équations complexes en une série de petites vitesses. Lorsque les trous accélèrent jusqu'à une fraction notable de la vitesse de la lumière, une telle série commence à mentir. Dans ces nouveaux travaux, les physiciens ont pris une autre série — celle de la « force de gravité », plutôt que de la vitesse. Cela a permis de décrire le mouvement rapide avec plus de précision. Ils ont complété la partie clé du modèle — la métrique effective, c'est-à-dire les règles selon lesquelles l'espace autour de la particule imaginaire est courbé.
Le résultat principal : ils ont montré que deux manières différentes de relier le modèle à la réalité donnent une réponse cohérente. C'est comme si deux géomètres indépendants, mesurant la même parcelle, obtenaient la même carte. Désormais, le modèle peut prédire plus précisément les ondes gravitationnelles issues de fusions rapides. Ces fusions sont rares, mais ce sont précisément elles qui peuvent révéler les conditions les plus extrêmes de l'Univers.
Un jour, les détecteurs d'ondes gravitationnelles deviendront si sensibles qu'ils entendront aussi bien les fusions rapides que lentes, sans distorsion. Alors, la carte construite dans ces travaux aidera à déchiffrer chaque murmure de l'Univers.
Les ondes gravitationnelles provenant de la fusion de trous noirs ont été détectées pour la première fois en 2015. Le signal n'a duré que 0,2 seconde, mais pendant ce temps, deux trous de 29 et 36 fois la masse du Soleil ont fusionné en un seul, et trois masses solaires se sont transformées en énergie des ondes.
Dans le film « Interstellar », les héros s'approchent du trou noir Gargantua, et le temps ralentit pour eux. Des modèles précis de la gravité, comme celui amélioré dans ces travaux, aident à calculer de tels effets pour des objets réels.