Lorsque vous frappez une cloche avec un marteau, elle sonne pendant un certain temps après, car le métal vibrant continue à résonner. Et il s’avère que lorsque vous frappez un trou noir avec un autre trou noir, il se produit quelque chose de similaire, mais au lieu d’ondes sonores, le trou noir nouvellement formé envoie des ondes gravitationnelles qui se propagent dans l’Univers.
Ces ondes gravitationnelles sont comme un accord, une série de notes. Selon la théorie de la relativité générale d’Einstein, elles devraient contenir des informations sur la masse et la rotation du trou noir.
Aujourd’hui, dans le cadre d’un tout nouveau test de la relativité, une équipe d’astronomes a trouvé le moyen d’extraire des notes individuelles de l’accord – ou plutôt des fréquences dans les ondes gravitationnelles – et, pour la première fois, en a détecté deux, ce que l’on pensait impossible avec notre technologie actuelle.
Vous ne serez peut-être pas surpris d’apprendre que, conformément à la relativité générale, ils ont pu mesurer la masse et le spin du trou noir.
Et ils ont également pu en déduire qu’il s’agissait des seules propriétés détectables du trou noir – ce qui confirme que les trous noirs ne peuvent être caractérisés que par leur masse et leur rotation (toutes les autres propriétés étant des “cheveux”). Le théorème de l’absence de cheveux qui stipule que, également selon la relativité générale,
“Nous nous attendons tous à ce que la relativité générale soit correcte, mais c’est la première fois que nous la confirmons de cette manière”, a déclaré le physicien Maximiliano Isi de l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT.
“C’est la première mesure expérimentale qui réussit à tester directement le théorème de l’absence de poils. Cela ne signifie pas que les trous noirs ne peuvent pas avoir de poils. Cela signifie que l’image des trous noirs sans poils vit pour un jour de plus.”
La collision en question est la toute première jamais détectée, GW 150914, en septembre 2015. Les scientifiques ont traduit les ondes gravitationnelles en ondes sonores, produisant un signal “chirp” ; voici à quoi cela ressemble :
Au moment où les deux trous noirs fusionnent en un seul, il y a une très brève période où le nouveau trou noir oscille, envoyant des ondes gravitationnelles plus faibles. C’est ce qu’on appelle le ringdown, et les scientifiques avaient supposé qu’il serait trop faible pour être détecté ou analysé après le pic d’ondes gravitationnelles au moment de la collision.
Auparavant, l’astrophysicien Matthew Giesler, de Caltech, et ses collègues avaient déterminé, par le biais de simulations, que juste après le pic des ondes gravitationnelles, la période de déclin comprenait une cacophonie d'”harmoniques”, des sons forts et de courte durée. En analysant le chirp d’une collision dans le contexte des harmoniques, l’équipe a pu isoler une “signature” de sonnerie du nouveau trou noir.
Isi et son équipe ont repris ce travail et l’ont appliqué à GW 150914, en se concentrant sur le moment juste après le pic du chirp. Et ils ont pu isoler la signature du gazouillis – jusqu’à identifier deux tonalités distinctes, correspondant à des fréquences vibratoires distinctes du nouveau trou noir.
“C’est un résultat très surprenant. On pensait généralement qu’au moment où le trou noir résiduel s’était stabilisé au point de pouvoir détecter des tonalités, les harmoniques avaient presque complètement disparu”, a déclaré Saul Teukolsky, astrophysicien théorique de l’université Cornell.
“Au lieu de cela, il s’avère que les harmoniques sont détectables avant que le ton principal ne devienne visible.”
Einstein avait prédit que la hauteur et la désintégration des tonalités dans la sonnerie de la collision d’un trou noir seraient un produit direct de la masse et du spin du nouveau trou noir. L’équipe a pu mesurer la hauteur et la décroissance des deux sons, ce qui lui a permis de sonder les propriétés du trou noir.
La masse et le spin calculés à partir de la hauteur et de la décroissance des sons correspondent aux mesures précédentes de ces deux propriétés, ce qui prouve que la détection des harmoniques d’un trou noir peut être réalisée aujourd’hui, avec les méthodes actuelles, ce qui signifie que la technologie future pourrait être encore plus importante.
“À l’avenir, nous disposerons de meilleurs détecteurs sur Terre et dans l’espace, et nous serons en mesure de voir non pas deux, mais des dizaines de modes, et de déterminer leurs propriétés avec précision”, a déclaré M. Isi.
“S’il ne s’agit pas de trous noirs comme le prédit Einstein, s’il s’agit d’objets plus exotiques comme des trous de ver ou des étoiles bosons, ils ne sonneront peut-être pas de la même manière, et nous aurons une chance de les voir.”
Les recherches ont été publiées dans Physical Review Letters.