L'Observatoire des ondes gravitationnelles à interféromètre laser (LIGO) a détecté une collision inhabituellement forte entre deux trous noirs, permettant aux physiciens de vérifier le théorème de l'aire du trou noir proposé par Stephen Hawking en 1971. Le 10 septembre, les résultats de la recherche pertinents ont été publiés dans Physical Review Letters.

 

Un diagramme de deux trous noirs fusionnant pour créer des ondes gravitationnelles voyageant à travers l’univers. Source de l'image : Maggie Chiang pour la Fondation Simons

Le théorème stipule que l'horizon des événements du trou noir créé lorsque deux trous noirs fusionnent, c'est-à-dire la limite où même la lumière ne peut échapper au contrôle du trou noir, ne peut pas être plus petit que la somme des surfaces des deux trous noirs d'origine. Ce théorème fait écho à la deuxième loi de la thermodynamique. La deuxième loi de la thermodynamique stipule que l’entropie, ou le désordre au sein d’un objet, ne diminue jamais.

Les fusions de trous noirs déforment la structure de l’univers, créant de minuscules fluctuations dans l’espace-temps appelées ondes gravitationnelles qui traversent l’univers à la vitesse de la lumière. Il existe cinq observatoires d'ondes gravitationnelles sur Terre qui recherchent des ondes dix mille fois plus petites que les noyaux des atomes. Il s'agit notamment des deux détecteurs LIGO aux États-Unis, ainsi que du détecteur italien Virgo, du japonais KAGRA et du allemand GEO600, exploités par une collaboration internationale appelée LIGO-Virgo-KAGRA (LVK).

La dernière collision, nommée GW250114, est presque identique à la collision qui a produit des ondes gravitationnelles observées pour la première fois en 2015. Les deux trous noirs pesaient entre 30 et 40 fois la masse du soleil et se sont produits à 1,3 milliard d'années-lumière.

Cette fois, les détecteurs LIGO améliorés sont trois fois plus sensibles qu’en 2015, ce qui leur permet de capturer les ondes produites par la collision avec des détails sans précédent. Cela a permis aux chercheurs de calculer et de confirmer que la zone de l'horizon des événements s'est effectivement agrandie après la fusion des trous noirs, vérifiant ainsi le théorème de Hawking.

Laura Nuttall, de l'Université de Portsmouth au Royaume-Uni, membre de l'équipe LVK, a déclaré que lorsque les trous noirs entrent en collision, ils produisent des ondes gravitationnelles qui ressemblent à des cloches. Auparavant, ces harmoniques se dissipaient trop rapidement pour être observées suffisamment clairement pour calculer la zone de l'horizon des événements avant et après la collision, ce qui est nécessaire pour tester la théorie de Hawking. Une étude de 2021 sur la première collision détectée a soutenu la théorie avec un niveau de confiance de 95 %, mais la nouvelle étude augmente ce niveau de confiance à un niveau convaincant de 99,999 %.

Au cours des 10 années où les scientifiques ont observé les ondes gravitationnelles, ils ont enregistré environ 300 collisions de trous noirs. Mais aucune n’a été capturée aussi fortement et clairement que GW250114, qui est deux fois plus forte que les autres ondes gravitationnelles détectées jusqu’à présent.

Lorsque les ondes de GW250114 ont atteint la Terre, seul le LIG fonctionnait, pas les autres détecteurs surveillés par la collaboration LVK. Cela n'affecte pas les tests de la théorie de Hawking, mais cela signifie que les chercheurs ne peuvent pas déterminer plus clairement d'où proviennent ces ondes dans le ciel.

Ian Harry, également de l'équipe LVK de l'Université de Portsmouth, a déclaré que les mises à niveau de LIGO et d'autres observatoires prévus qui devraient être mis en ligne à l'avenir apporteront une plus grande sensibilité, nous permettant d'étudier la physique des trous noirs de manière plus approfondie. "Nous ne capterons peut-être pas tous les signaux, mais nous aurons à nouveau des événements comme celui-ci. La prochaine série de mises à niveau pourrait avoir lieu en 2028 et nous verrons quelque chose de similaire, et peut-être que d'ici là, la sensibilité sera au point où nous pourrons vraiment nous y plonger."

Les résultats ouvrent de nouvelles voies de recherche sur la gravité quantique, qui, espèrent les physiciens, unifieront la relativité générale et la physique quantique. Nuttall a déclaré que les derniers résultats montrent que la relativité générale et la mécanique quantique continuent de bien fonctionner ensemble, mais que certaines différences devraient apparaître à l'avenir.

"À un moment donné, nous pourrions commencer à constater que les choses ne fonctionnent pas très bien ensemble, et ce sera à ce moment-là que nous obtiendrons des signaux très proches qui apparaîtront extrêmement forts dans nos données à mesure que la sensibilité de l'instrument augmente", a déclaré Nuttall.

Les dernières données du LVK ont également permis aux scientifiques de confirmer une équation proposée par le mathématicien Roy Kerr dans les années 1960, qui prédit que les trous noirs peuvent être caractérisés par seulement deux mesures : leur masse et leur spin. Essentiellement, deux trous noirs ayant la même masse et la même rotation sont mathématiquement identiques. "Grâce aux observations de GW250114, nous savons désormais que cela est vrai."

Informations sur le document connexe : https://doi.org/10.1103/kw5g-d732