Une nouvelle analyse montre des effets "non linéaires" contenus dans les ondes gravitationnelles

Lorsque deux trous noirs entrent en collision pour previous un nouveau trou noir additionally grand, ils agitent violemment l’espace-temps autour d’eux, envoyant des ondulations appelées ondes gravitationnelles vers l’extérieur dans toutes les instructions. Des études antérieures sur les collisions de trous noirs ont modélisé le comportement des ondes gravitationnelles à l’aide de ce que l’on appelle les mathématiques linéaires, ce qui signifie que les ondes gravitationnelles se propageant vers l’extérieur ne s’influencent pas ou n’interagissent pas les unes avec les autres. Maintenant, une nouvelle analyse a modélisé les mêmes collisions additionally en détail et a révélé des effets dits non linéaires.

“Les effets non linéaires sont ce qui se passe lorsque les vagues sur la crête de la plage et s’écrasent”, explique Keefe Mitman, un étudiant diplômé de Caltech qui travaille avec Saul Teukolsky (PhD ’74), professeur Robinson d’astrophysique théorique à Caltech avec une nomination conjointe à l’Université Cornell. “Les ondes interagissent et s’influencent plutôt que de rouler par elles-mêmes. Avec quelque chose d’aussi violent qu’une fusion de trous noirs, nous nous attendions à ces effets mais nous ne les avions pas vus dans nos modèles jusqu’à présent. De nouvelles méthodes pour extraire les formes d’onde de nos simulations ont a permis de voir les non-linéarités.”

La recherche, publiée dans la revue Bodily Evaluation Letters, provient d’une équipe de chercheurs de Caltech, de l’Université Columbia, de l’Université du Mississippi, de l’Université Cornell et du Max Planck Institute for Gravitational Physics.

À l’avenir, le nouveau modèle pourra être utilisé pour en savoir furthermore sur les collisions réelles de trous noirs qui ont été régulièrement observées par LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) depuis qu’il est entré dans l’histoire en 2015 avec la première détection directe d’ondes gravitationnelles à partir de espace. LIGO se rallumera as well as tard cette année après avoir obtenu un ensemble de mises à niveau qui rendront les détecteurs encore as well as sensibles aux ondes gravitationnelles qu’auparavant.

Mitman et ses collègues font partie d’une équipe appelée la collaboration Simulating Extraordinary Spacetimes, ou SXS. Fondé par Teukolsky en collaboration avec le lauréat du prix Nobel Kip Thorne (BS ’62), professeur de physique théorique Richard P. Feynman, émérite, à Caltech, le projet SXS utilise des supercalculateurs pour simuler des fusions de trous noirs. Les supercalculateurs modélisent la façon dont les trous noirs évoluent lorsqu’ils se rejoignent en spirale et fusionnent en utilisant les équations de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein. En fait, Teukolsky a été le premier à comprendre remark utiliser ces équations de relativité pour modéliser la stage “ringdown” de la collision du trou noir, qui se produit juste après la fusion des deux corps massifs.

“Des superordinateurs sont nécessaires pour effectuer un calcul précis de l’ensemble du signal  : l’inspiration des deux trous noirs en orbite, leur fusion et la stabilisation en un seul trou noir résiduel au repos”, explique Teukolsky. “Le traitement linéaire de la section de stabilisation était le sujet de ma thèse de doctorat sous Kip il y a un certain temps. Le nouveau traitement non linéaire de cette stage permettra une modélisation plus précise des ondes et éventuellement de nouveaux checks pour savoir si la relativité générale est, en fait, la bonne théorie de la gravité pour les trous noirs.”

Les simulations SXS se sont avérées essentielles pour identifier et caractériser les près de 100 collisions de trous noirs détectées par LIGO jusqu’à présent. Cette nouvelle étude représente la première fois que l’équipe a identifié des effets non linéaires dans des simulations de la stage de sonnerie.

“Imaginez qu’il y a deux personnes sur un trampoline”, dit Mitman. “S’ils sautent doucement, ils ne devraient pas trop influencer l’autre personne. C’est ce qui se passe quand nous disons qu’une théorie est linéaire. Mais si une personne commence à rebondir avec moreover d’énergie, alors le trampoline se déformera et l’autre commencera sentir leur affect. C’est ce que nous entendons par non linéaire : les deux personnes sur le trampoline éprouvent de nouvelles oscillations en raison de la présence et de l’influence de l’autre personne.

En termes gravitationnels, cela signifie que les simulations produisent de nouveaux kinds d’ondes. “Si vous creusez additionally profondément sous les grosses vagues, vous trouverez une nouvelle obscure supplémentaire avec une fréquence exceptional”, explique Mitman.

Dans l’ensemble, ces nouvelles simulations aideront les chercheurs à mieux caractériser les futures collisions de trous noirs observées par LIGO et à mieux tester la théorie de la relativité générale d’Einstein.

Selon le co-auteur Macarena Lagos de l’Université de Columbia, “C’est un grand pas en avant pour nous préparer à la prochaine section de détection des ondes gravitationnelles, qui approfondira notre compréhension de la gravité dans ces phénomènes incroyables qui se déroulent aux confins du cosmos. “

Adrien Rouge

Adrien Rouge

Journaliste scientifique, Adrien explore les grands défis technologiques et environnementaux de notre époque avec rigueur. Sa plume vive et claire fait de lui un guide essentiel pour quiconque cherche à comprendre les enjeux actuels d'un monde en rapide évolution.