Les ondes gravitationnelles – un outil pour observer les trous noirs

La théorie de la relativité générale émise par Einstein prédit la formation d'ondulations de l'espace-temps générées lors de la fusion de trous noirs binaires. Lorsque les galaxies se rapprochent et entrent en collision, les trous noirs supermassifs situés en leur centre se rencontreront inévitablement. Les deux trous noirs orbitent tout d'abord l'un autour de l'autre, puis entament une étreinte désespérée avant de fusionner.

La relativité générale postule qu'à la fin de leur danse, les trous noirs perdent de l'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles. Les chercheurs travaillant dans le cadre du projet CBHEO (Connecting numerical simulations of black holes with experiment and observations), financé par l'UE, ont ainsi généré des formes d'ondes modèles qui devraient correspondre à de tels signaux astrophysiques.

Les formes d'ondes observées devraient correspondre aux signaux émis par les deux trous noirs orbitant l'un vers l'autre (phase inspiral), l'orbite plongeante, la fusion puis la dernière phase appelée ring-down. Les modèles de recherche générés par les scientifiques du projet en s'appuyant sur la relativité numérique et les techniques post-newtoniennes incluent toutes ces caractéristiques.

Plus spécifiquement, la portion «inspiral» de la forme d'ondes est modélisée par des calculs analytiques post-newtoniens. D'autre part, les solutions numériques des équations de la relativité générale sont nécessaires pour modéliser les orbites finales et la fusion des deux trous noirs avec précision.

Ces formes d'ondes hybrides ont été ajoutées aux données obtenues par les courbes de sensibilité des interféromètres VIRGO et LIGO (pour Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO). Les données obtenues ont ensuite été analysées par des algorithmes de détection d'ondes gravitationnelles dans le cadre du programme collaboratif NINJA (pour Numerical Injection Analysis).

Les chercheurs du projet ont également modélisé les collisions entre partons générées par la fusion des trous noirs. Cette partie de l'étude était motivée par la possibilité prévue par les nouvelles théories de la gravité, d'une formation de trou noir lors de ces expériences de collision. Ces simulations ont permis entre autres d'obtenir la quantité d'énergie et le moment cinétique perdus sous forme d'ondes gravitationnelles.

Grâce aux résultats du projet sur la dynamique des trous noirs, les chercheurs espèrent pouvoir identifier la signature de ces ondes gravitationnelles. En retour, alors que les trous noirs sont très difficiles à observer, les informations obtenues sur les ondes gravitationnelles qu'ils engendrent devraient enrichir grandement nos connaissances en astrophysique.