Les scientifiques ont utilisé un détecteur d’ondes gravitationnel pour « entendre » deux trous noirs S’agrandir lorsqu’ils ont fusionné dans une seule entité gigantesque.
La détection, faite par le Interféromètre laser Observatoire à ondes gravitationnelles (LIGO) Le 14 janvier, fournit les meilleures preuves à ce jour pour une théorie mise en avant par le célèbre physicien Stephen Hawking il y a plus d’un demi-siècle, mais qui n’a jamais été prouvé de son vivant.
Une étude basée sur la recherche était publié Mercredi 10 septembre dans la revue Physical Review Letters et a été dirigé par Adrian G. Abacun doctorant au Max Planck Institute for Gravitational Physics à Potsdam, en Allemagne.
Le cosmos ondulant
Ligo détecte les ondes gravitationnelles – ondulations dans le tissu de l’espace-temps libéré lors des événements les plus extrêmes du cosmos, tels que les collisions de trous noirs ou d’étoiles à neutrons (les restes des étoiles géantes). C’est Première détection directe des ondes gravitationnellesfait il y a presque exactement 10 ans le 14 septembre 2015, a confirmé les prédictions d’Albert Einstein sur la relativité générale par observer deux trous noirs fusionnant.
Maintenant, avec une décennie d’expérience sous leur ceinture, les collaborateurs de Ligo ont apporté de nombreuses améliorations aux détecteurs – de sorte que les fusions de trou noir sont maintenant repérées environ une fois tous les trois jours au lieu d’une fois par mois, selon un déclaration De Caltech, qui exploite conjointement Ligo avec le MIT.
Au cours de l’événement détecté le 14 janvier, Ligo a été témoin de deux trous noirs fusion, le trou noir résultant mesurant nettement plus grand que les deux objets entrant dans la collision.
Avant la fusion, la surface combinée des deux trous noirs était d’environ 93 700 miles carrés (243 000 kilomètres carrés) – à peu près la taille de l’Oregon. Après la fusion, en revanche, le trou noir nouvellement formé et unique avait une surface d’environ 154 500 milles carrés (400 000 km carrés) – de la taille de la Californie. En d’autres termes, le trou noir nouvellement fusionné était plus grand que la somme de ses parties.
La détection du trou noir croissant confirme une prédiction que Hawking a avancé en 1971: que le « »horizon de l’événement – la frontière extérieure « d’un trou noir au-delà duquel rien ne peut s’échapper – ne peut jamais diminuer de taille, les chercheurs de l’Université Columbia, qui fait partie de la collaboration LIGO, a déclaré dans une séparation déclaration.
« Même si c’est une déclaration très simple, » les domaines ne peuvent qu’augmenter « , il a d’immenses implications », co-auteur de l’étude Maximiliano ISIprofesseur adjoint à l’Université Columbia et chercheur associé au Flatiron Institute a déclaré dans un déclaration de l’American Physical Society (APS). Le théorème de Hawking est connu comme la deuxième loi de la mécanique des trous noirs et est similaire à la deuxième loi de la thermodynamique, qui indique que l’entropie (trouble) ne peut qu’augmenter avec le temps.
Cette théorie a désormais des scientifiques traitant les trous noirs comme des « objets thermodynamiques », APS a poursuivi dans la déclaration, « un changement de paradigme cimenté par la découverte de Hawking qu’ils ont l’entropie et émettent des rayonnements dus à des e ff ets quantiques près de l’horizon de l’événement. »
« Il nous dit que relativité générale sait quelque chose sur la nature quantique de ces objets et que les informations, ou entropie, contenues dans un trou noir sont proportionnelles à sa zone « , a ajouté ISI.
« Sonner » comme une cloche
Ce n’est pas la première fois que Ligo met la théorie de Hawking à l’épreuve; une observation en 2021 provisoirement a confirmé sa prédiction. Les nouveaux résultats, cependant, « confirment ce résultat antérieur avec une précision beaucoup plus élevée », a ajouté des responsables de Columbia.
L’étude a obtenu cette précision en examinant la hauteur et la durée des ondes gravitationnelles émises lorsque les trous noirs ont fusionné. Les chercheurs peuvent faire des inférences sur les trous noirs à travers leurs vagues parce que la taille et la forme d’un trou noir influencent ces vagues, de la même manière que la taille et la forme d’un instrument de musique affectent le son qu’elle est.
L’événement nouvellement détecté, connu sous le nom de GW250114, a produit une « sonnerie » dans l’espace-temps alors que le nouveau trou noir s’est calmé après la fusion.
« Le Ringdown est ce qui se passe lorsqu’un trou noir est perturbé, tout comme une cloche sonne lorsque vous le frappez », co-auteur de l’étude Katerina chatziioannoua déclaré un professeur adjoint de physique à Caltech, dans le communiqué APS.
Le « Ringdown » a permis aux chercheurs de confirmer que le trou noir restant avait une surface plus grande que les deux trous noirs qui se sont combinés pour le former.
Les résultats prouvent également une autre théorie décrite par le mathématicien Roy Kerr il y a environ six décennies. Appelée la métrique de Kerr, la théorie décrit comment les équations de champ d’Einstein pour la relativité générale fonctionnent dans un trou noir rotatif. En d’autres termes, « deux trous noirs avec la même masse et la même rotation sont mathématiquement identiques », a déclaré ISI. « C’est très unique aux trous noirs. »
LIGO comprend actuellement deux détecteurs – un à Hanford, Washington et un à Livingston, en Louisiane – et les interféromètres jumeaux travaillent généralement avec la Vierge en Europe et les interféromètres de détecteur d’ondes gravitationnelles de Kamioka au Japon dans le cadre de la collaboration de Ligo-Virgo-Kagra (LVK).
Alors que les chercheurs continuent à affiner les détecteurs jumeaux de Ligo, au moins un autre détecteur est prévu. Quand Ligo-India Vient en ligne en 2030 environil « améliorerait considérablement la précision avec laquelle le réseau LVK peut localiser les sources d’ondes gravitationnelles », a noté les représentants de CalTech. D’autres détecteurs pourraient venir plus tard, alors que l’équipe cherche à « entendre les premières fusions de trou noir dans l’univers », a ajouté le communiqué.
Cosmic Explorer, un concept pour un plus grand interféromètre aux États-Unis, aurait des détecteurs avec des « bras » 10 fois la longueur des observatoires de Ligo actuels (dont chacun est 2,5 miles (4 km) de longpour contenir des lasers à l’intérieur des tubes à vide en acier). L’Europe a également un projet proposé appelé le télescope Einstein, qui aurait un ou deux détecteurs souterrains avec des bras de plus de 6 miles (10 km) de long.
