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Décrypter les ondes gravitationnelles des systèmes binaires de trous noirs

Ce n'est pas une surprise si le tout dernier prix Nobel de physique a été décerné aux pionniers scientifiques de l'astronomie par ondes gravitationnelles. Cette nouvelle branche de la recherche peut en effet révéler des phénomènes spatiaux jusqu'ici invisibles pour l'astronomie classique, en l'absence de rayonnements électromagnétiques. C'est le cas des systèmes compacts formés de deux trous noirs, qui sont maintenant mieux compris grâce aux travaux du projet AWE.

Espace

Albert Einstein avait démontré que des ondes gravitationnelles balaient sans cesse la Terre. Elles résultent du déplacement de matière, et compriment et étendent l'espace dans lequel nous baignons. Les scientifiques ne peuvent les détecter que depuis peu. La quatrième et plus récente détection d'ondes gravitationnelles résultant de la collision de deux trous noirs a eu lieu le 28 septembre 2017. « Chaque détection nous a apporté sur l'univers des informations nouvelles et parfois surprenantes », déclare Niels Warburton, chercheur boursier à l'University College Dublin (UCD), et qui a passé deux ans au Massachusetts Institute of Technology (MIT) pour faire avancer ce nouveau domaine de la recherche. Avec son projet AWE (Accurate Waveforms for Extreme/Intermediate-mass-ratio-inspirals), M. Warburton voulait définir le cadre de LISA (Laser Interferometer Space Antenna), le futur détecteur spatial d'ondes gravitationnelles de l'Agence spatiale européenne. Contrairement aux détecteurs au sol, dont les signaux basse fréquence sont masqués par le bruit des séismes, il pourra mesurer des ondes venant de systèmes avec un faible rapport de masses. « Parmi ces sources on trouve les EMRI (Extreme-mass-ratio-inspirals), constitués par un objet compact de masse stellaire (comme une étoile très dense ou un petit trou noir) en orbite autour d'un trou noir pesant des millions de masses solaires. Ces systèmes émettent des ondes gravitationnelles pendant des mois ou des années, mais pour extraire le signal du bruit de fond, il faut disposer de modèles très exacts de ces ondes. Le projet AWE a développé plus avant ces modèles, en préparation de la mission LISA », explique Adrian Ottewill, hôte du projet et professeur de physique mathématique à l'UCD. Pour cela, M. Warburton a appliqué une théorie de perturbation des trous noirs, qu'il a développé davantage : « En associant mon expertise, celle de mes deux groupes hôtes et collaborateurs, j'ai publié sept articles durant ma bourse, et quelques autres sont en préparation. » Cinq des sept publications ont développé la modélisation des ondes gravitationnelles pour les systèmes binaires avec des rapports de masses extrêmes, conformément aux objectifs du projet initial. Les deux autres articles sortent de ce cadre, mais sont néanmoins d'une grande importance : « Peu après mon arrivée au MIT, un collègue que j'avais rencontré lors de conférences pendant mon doctorat est venu dans mon bureau. Nous avons rapidement compris que nos compétences complémentaires nous permettraient de progresser rapidement dans l'étude de l'émission d'ondes gravitationnelles par un objet compact spiralant autour d'un trou noir massif en rotation rapide », se souvient M. Warburton. La vitesse de rotation d'un trou noir donné est contrainte par un maximum, et les trous noirs qui s'approchent de cette limite présentent certains phénomènes physiques étranges. Par leurs travaux, M. Warburton et ses collègues ont démontré que les ondes gravitationnelles associées ont une signature très caractéristique, dont la détection signalerait immédiatement la présence de l'un de ces trous noirs inhabituels. Le second article sur ce sujet, intitulé 'Inspiral into Gargantua' en référence au film Interstellar de Christopher Nolan, a attiré l'attention d'éditeurs scientifiques comme Space.com et Science News. M. Warburton estime que la physique nécessaire pour modéliser ces systèmes à rapport de masses extrêmes est désormais bien connue, et il espère que ses travaux contribueront dans une certaine mesure à la possibilité future de les détecter et de les mesurer. En attendant, il compte continuer à modéliser ces ondes gravitationnelles dans le cadre d'une bourse de recherche de la Royal Society – Science Foundation Ireland University. Il dirige également la création d'un ensemble d'outils open source pour partager l'expertise avec les astronomes et au-delà : « Ceci permettra de consacrer moins de temps à la programmation et davantage à la physique. »

Mots‑clés

AWE, ondes gravitationnelles, rayonnement, trou noir, LISA, MIT, détecteur, EMRIs, Interstellar

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