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28 août 2020 5 28 /08 /août /2020 10:25

Au-delà de la Relativité Générale ? Que Nenni !

C’était avec la problématique clairement annoncée : ‘ Au-delà de la Relativité Générale’ que j’avais organisé la programmation du séminaire 2019-2020. Que nenni ! quant à la mise en évidence objective d’un quelconque indice qui indiquerait le chemin théorique à suivre menant à cet au-delà. Pourtant un certain nombre d’événements nouveaux à étudier donnaient à formuler l’hypothèse que des failles pouvaient être enregistrées dans le bloc de cohérence et de pertinence théoriques que constitue la théorie d’Einstein. Cela finira par se produire un jour, peut-être demain ou dans un temps bien plus lointain.

Je soumets à votre lecture cet article du 24 Août qui va dans le sens d’une confirmation de la R.G. bien qu’il traite de l’événement d’une collision de trous noirs avec des caractéristiques jamais constatées jusqu’à présent.

Titre de l’article, sur le site Physics.aps : ‘Une fusion déséquilibrée’, de Stephen Taylor, du Département de physique et d’astronomie, Vanderbilt University, Nashville TN, États-Unis.

« La fusion de deux trous noirs avec des masses significativement différentes permet aux chercheurs de mieux caractériser les paramètres du trou noir et d’effectuer de nouveaux tests sur la relativité générale. Ainsi, le 12 Avril 2019, les détecteurs LIGO et Virgo ont enregistré la fusion d’un duo de trous noirs remarquablement asymétrique, dont les composants pèsent respectivement 8 et 30 masses solaires.

Depuis que LIGO et Virgo ont observé pour la première fois la fusion de deux trous noirs en septembre 2015, (voir ‘Point de vue’ : Les premiers sons de la fusion des trous noirs), la détection des ondes gravitationnelles est devenue une occurrence régulière. Maintenant, les collaborations LIGO et Virgo rapportent que, à peine deux semaines après leur troisième période d’observation, les détecteurs LIGO et Virgo ont repéré une fusion de trous noirs, baptisée GW190412, qui était remarquablement différente de celles précédemment mesurées : avec 8 et 30 masses solaires, respectivement, ce duo « Laurel et Hardy » est le premier système binaire de trou noir vraiment asymétrique jamais repéré. La détection d’un tel binaire asymétrique a permis une foule de nouvelles possibilités scientifiques, allant de l’imposition de fortes contraintes sur les rotations des trous noirs, à la suggestion de nouveaux scénarios astrophysiques pour la formation de tels systèmes déséquilibrés, à l’essai de la théorie d’Einstein de la relativité générale dans des régimes précédemment inexplorés.

Les ondes gravitationnelles apparaissent naturellement dans la théorie de la relativité générale, qui relie la gravité à la déformation de l’espace-temps en présence de matière. Une paire d’objets compacts comme les étoiles à neutrons ou les trous noirs déforment l’espace-temps pendant qu’ils orbitent les uns autour des autres, formant une spirale entrante, et en conclusion finissent par fusionner, créant des ondulations de l’espace-temps qui rayonnent vers l’extérieur à la vitesse de la lumière. Des milliards d’années plus tard, les ondes atteignent nos détecteurs d’ondes gravitationnelles, où elles déforment légèrement les bras longs, de quelques kilomètres, et orthogonaux du détecteur. Un tel modèle de déformations encode la dynamique du système de fusion, y compris la géométrie orbitale et les propriétés de chaque étoile à neutrons ou trou noir.

Jusqu’à présent, la plupart des détections montraient des paires de trous noirs avec des masses à peu près comparables : même les fusions les plus asymétriques détectées impliquaient des ratios de masse inférieurs à 2. Comme il est prédit par la relativité générale, le signal de l’onde gravitationnelle dans ces cas symétriques est dominé par une seule fréquence — la deuxième harmonique de la fréquence orbitale binaire. De plus, les signaux de toutes les détections, sauf deux (GW151226 et GW170729) ont été compatibles avec le système binaire ayant un spin effectif de zéro. Ce paramètre est une somme pondérée en masse du composant de rotation (spin) de chaque trou noir perpendiculairement au plan orbital. Un spin effectif en voie de disparition pour les trous noirs de même poids signifie que les deux corps ne tournent pas ou bien qu’ils tournent dans des directions opposées. Un spin effectif différent de zéro affecterait significativement la dynamique des fusions.

À première vue, GW190412 est en ligne avec les découvertes précédentes, c’est une paire de trous noirs avec des masses individuelles compatibles avec les détections précédentes et avec les voies de formation de trous noirs considérés par la théorie. Dans le même temps, l’asymétrie des deux masses du système binaire en fait un système magnifiquement divergent comparé à tout ce qui a été vu auparavant. LIGO et Virgo ont utilisé une variété de modèles (calibres[1]) de forme d’onde différents pour déterminer que l’un des trous noirs était environ 3,5 fois plus massif que l’autre. En accord avec la relativité générale (sic), cette asymétrie signifie qu’en plus de la fréquence d’émission principale de seconde harmonique, des notes plus élevées d’émission d’ondes gravitationnelles, en particulier le mode de 3 fois la fréquence orbitale binaire, étaient détectables. Les ondes gravitationnelles ont souvent été appelées la musique du cosmos, et dans ce cas l’analogie est tout à fait appropriée : la collision de ces trous noirs dans l’immensité de l’Univers a produit un signal contenant un « cinquième parfait » — un intervalle musical, comme celui entre les notes G et C, correspondant à deux fréquences avec un rapport de 3:2.

Des simulations numériques réalisées de la spirale entrante et la fusion de deux trous noirs avec un rapport de masse de 3,5 sont compatibles avec l’observation GW190412.

Le duo de trous noirs déséquilibrés a permis aux chercheurs d’examiner avec soin et de vérifier la relativité générale dans des régimes auparavant inexplorés. A savoir, en testant les prédictions de la théorie pour les moments multipôles associés avec des émissions d’harmoniques plus élevées correspondantes à une fusion asymétrique. Tous les paramètres associés aux écarts par rapport à la relativité générale étaient compatibles avec le fait d’être nuls, même si les nuances de sa théorie sont testées de manière nouvelle, Einstein continue d’être correct (sic et re-sic).

En ajustant le signal plus complexe contenant les notes supérieures, les chercheurs ont considérablement amélioré, comparé aux détections précédentes, les contraintes sur les paramètres du système tels que la distance du système binaire de la Terre, son rapport de masse, et le spin des trous noirs. En fait, les scientifiques de LIGO et de Virgo rapportent la détermination la plus précise du spin d’un trou noir jamais extrait des données d’onde gravitationnelle, trouvant que l’horizon d’événement du plus grand trou noir tourne à environ 43% de la vitesse de la lumière. GW190412 est maintenant le troisième signal à montrer des preuves d’un spin différent de zéro, montrant qu’il y a un grand potentiel pour déterminer cette fonctionnalité proprement et directement en utilisant l’analyse des ondes gravitationnelles. D’autres techniques courantes de caractérisation des spins sont indirectes, car elles déduisent le spin d’un trou noir en exploitant l’émission de rayons X de matériaux tombant dans le trou noir et doivent donc s’appuyer sur des modèles difficiles à tester de la dynamique d’accrétion. Pour GW190412, l’analyse du signal a également laissé entrevoir un effet difficile à observer : une légère précession des rotations orbitales suggérant que les rotations de chaque trou noir n’étaient pas alignées avec l’axe du mouvement orbital.

La particularité de GW190412 parmi ses pairs — le spin mesurable et les masses asymétriques — en fait un ajout précieux qui informe sur la démographie des trous noirs. À partir de fusions précédemment détectées, les chercheurs ont montré que la probabilité de trouver des systèmes binaires de trous noirs avec certaines tailles peut être décrite par une loi de puissance. L’inclusion de ce duo asymétrique donne des contraintes beaucoup plus strictes sur la distribution des ratios de masse attendus. Alors que les analyses précédentes suggèrent qu’un système au moins aussi asymétrique que GW190412 ne devrait apparaître que dans 1,7 % des cas, la loi sur la répartition de la population qui explique la nouvelle détection révise cette probabilité à 25 %.

La détection de GW190412 montre à quel point nous avons encore beaucoup à apprendre de la fusion des trous noirs. Un résultat important serait l’extraction de notes encore plus élevées. En brisant d’importantes dégénérescences de paramètres, de telles notes amélioreraient les mesures des distances des systèmes binaires de trou noir, permettant ainsi d’être utilisées comme « sirènes sombres » pour inférer le taux d’expansion local de l’Univers. Cette approche pourrait aider les chercheurs à régler le débat sur la constante de Hubble : puisque les mesures de fond de micro-ondes cosmiques et des supernovas fournissent des valeurs contradictoires. De plus, les détections d’autres systèmes asymétriques et de leurs spins peuvent faire la lumière sur les canaux de formation possibles. Le non alignement des spins des trous noirs GW190412 peuvent suggérer, par exemple, que le duo ne vient pas directement d’un binaire stellaire. Au lieu de cela, l’un d’eux pourrait être le produit d’une fusion précédente de trous noirs. Une meilleure caractérisation du spin des trous noirs et de l’environnement dans lequel la fusion a eu lieu pourrait fournir des preuves concluantes de cette hypothèse. Certainement, nous pouvons nous attendre à ce que les détections à venir fournissent beaucoup plus d’informations étant donné l’assortiment de scénarios qui prévoient la fusion de paires de trous noirs. En effet, au cours de l’écriture de ce point de vue, les chercheurs ont signalé un système encore plus asymétrique, appelé GW190814, qui abrite soit l’étoile à neutrons la plus lourde, soit le trou noir le plus léger jamais découvert. »

            En effet cette dernière phrase de l’auteur nous renvoie à une série d’articles très récents, très interrogatifs sur ce fameux événement spécifique du 14/08/2019. Peut-être que j’aurais l’occasion d’évoquer cet événement et les interrogations actuelles qui l’accompagnent.

            En résumé Stephen Taylor publie un article positif et optimiste, à juste raison, en relation avec ces fusions de trous noirs détectées depuis 2015. Il est époustouflant de découvrir qu’à partir d’un simple ‘CHIIIRP’ qui nous arrive comme message de la fusion, il est possible de décrypter autant de données scientifiques. Je ne veux rien retirer à cet enthousiasme et à cet optimisme, mais il est souhaitable, à mon sens, de garder à l’esprit que les modèles des calibres ont été préétablis au moyen de la loi de la Relativité Générale et en conséquence ce qui est sélectionné dans l’opération de décryptage du signal enregistré par LIGO et Virgo ne peut être que conforme. Il ne faut pas s’interdire de penser que la totalité de ce qui est contenu dans le signal n’est pas décelable parce qu’au-delà, en dehors, de la Relativité Générale. Des informations contenues dans le signal peuvent encore être transparentes aux calibres exploités faute d’outils théoriques encore plus affinés. Il faut s’appuyer sur la perspective que l’accumulation d’événements non totalement conformes aux calibres fourniront des indices des incomplétudes prédictives de la R.G. et partant franchir un cap théorique historique car depuis 1915 la R.G. rend compte parfaitement de la physique à l’échelle classique qui nous permet de décrire avec fiabilité ce que nous observons dans l’univers.  

 

 

[1] Les calibres sont ces modèles qui ont été calculés et simulent effectivement le plus grand nombre (250.000) de scénarios possibles de fusion de trous noirs. Ce travail a été entrepris depuis plus d’une dizaine d’années en prévision du fonctionnement des détecteurs LIGO et Virgo. C’est donc une remarquable base de modèles constitués, très fournie, qui permet de calibrer (caractériser) les événements de fusion au fur et à mesure de leur détection. Sur ce sujet, il y a une conférence de Thibault Damour sur YouTube : ‘Théorie et détection des ondes gravitationnelles’ que je recommande. Il rappelle que l’école française du calcul analytique et de la relativité numérique a eu une contribution très importante, depuis 2000, pour déterminer ces calibres ce que Th. Damour nomme des ‘calques’.

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