À la recherche des ondes gravitationnelles
Les ondes gravitationnelles sont des ondulations de l'espace-temps produites par des objets astronomiques, un peu comme les ondes provoquées par la chute d'un caillou dans l'eau. La théorie de la relativité générale d'Einstein prévoit l'existence de ces ondes peu ordinaires, mais elles n'ont pas encore été directement détectées. Cependant, la possibilité de «voir» les ondes gravitationnelles générées par la fusion de trous noirs peut apporter une nouvelle perspective dans l'étude de ces phénomènes, les plus énergétiques de l'Univers. Lorsque des galaxies fusionnent, les trous noirs supermassifs supposés se trouver en leur centre entrent inévitablement en collision. Ils commencent par «danser» l'un autour de l'autre, puis entrent dans une «étreinte» fatale avant de fusionner. La relativité générale prévoit que la fusion de ces trous noirs provoque l'émission d'ondes gravitationnelles. Les scientifiques du projet CBHEO (Connecting numerical simulations of black holes with experiment and observations), financé par l'UE, ont généré des «gabarits» de formes d'onde qui pourraient correspondre à ce type de signaux astrophysiques. Les formes d'onde observées devraient correspondre aux signaux émis par les deux trous noirs tournant en spirale l'un vers l'autre, ainsi qu'à ceux émis par leur fusion. Les modèles de recherche générés dans le cadre du projet CBHEO s'appuient sur la relativité numérique et des techniques post-newtoniennes, et présentent toutes ces caractéristiques. La portion en spirale de la forme d'onde a été modélisée grâce à des calculs analytiques post-newtoniens. D'autre part, il a fallu utiliser des solutions numériques des équations de champ de la relativité général pour modéliser avec exactitude les orbites finales et la fusion des trous noirs. Ces formes d'onde prédites par la théorie ont été ajoutées aux données obtenues par les courbes de sensibilité des interféromètres Virgo et LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Les données obtenues ont été analysées par des algorithmes de détection des ondes gravitationnelles. Ces travaux ont constitué une partie du projet NINJA (Numerical Injection Analysis), dont l'objectif est d'étudier la possibilité de détecter les ondes gravitationnelles émises par la fusion de trous noirs. Les scientifiques de CBHEO ont également adapté cette infrastructure numérique pour modéliser les collisions dans un espace-temps comportant plus de quatre dimensions. Pour modéliser les collisions entre les partons produites par la fusion de trous noirs, ils ont utilisé les équations d'Einstein dans des dimensions supplémentaires. Cette étude a été motivée par la formation possible de trous noirs dans les expériences de collision de particules, comme le prévoient les nouvelles théories de la gravité. Dans des espaces-temps présentant davantage de dimensions, la relativité numérique constitue un outil puissant pour obtenir des informations utiles sur la formation de trous noirs dus à des collisions entre particules. Ces simulations ont surtout permis d'obtenir la quantité d'énergie et le moment cinétique perdus sous forme d'ondes gravitationnelles. Armés des résultats du projet CBHEO, les scientifiques espèrent identifier dans les données collectées par les observatoires LIGO et Virgo la signature d'ondes gravitationnelles émises par la fusion de trous noirs se produisant dans l'univers proche. En retour, les informations obtenues sur les ondes gravitationnelles pourraient s'avérer être un nouvel outil puissant pour percer les secrets des trous noirs, qui sont très difficiles à observer.
Mots‑clés
Ondes gravitationnelles, formes d'onde, trous noirs, CHBEO, relativité numérique, LIGO
