En 2017, une onde gravitationnelle a sonné sur la Terre comme le son clair d'une cloche. Il a étiré et écrasé chaque personne, fourmi et instrument scientifique de la planète en traversant notre région de l'espace. Maintenant, les chercheurs sont retournés en arrière et ont étudié cette vague, et y ont trouvé des données cachées - des données qui aident à confirmer une idée astrophysique vieille de plusieurs décennies.
Cette vague de 2017 a été un gros problème: pour la première fois, les astronomes disposaient d'un outil capable de la détecter et de l'enregistrer au fur et à mesure de son passage, connu sous le nom d'Observatoire des ondes gravitationnelles des interféromètres laser (LIGO). Cette première vague est le résultat, ont-ils constaté, de deux trous noirs qui s'écrasent ensemble très loin dans l'espace. Et maintenant, une équipe d'astrophysiciens a réexaminé l'enregistrement et trouvé quelque chose que d'autres pensaient qu'il faudrait des décennies pour découvrir: une confirmation précise du "théorème sans cheveux". Cet aspect essentiel de la théorie des trous noirs remonte au moins aux années 1970 - un théorème dont Stephen Hawking doutait notoirement.
Lorsque les physiciens disent que les trous noirs n'ont pas de «cheveux», a déclaré Maximiliano Isi, physicien au MIT et auteur principal de l'article, ils signifient que les objets astrophysiques sont très simples. Les trous noirs ne diffèrent les uns des autres que de trois façons: taux de rotation, masse et charge électrique. Et dans le monde réel, les trous noirs ne diffèrent probablement pas beaucoup en termes de charge électrique, donc ils ne diffèrent vraiment qu'en termes de masse et de spin. Les physiciens appellent ces objets chauves «trous noirs de Kerr».
Cette absence de poil rend les trous noirs très différents de presque tous les autres objets de l'univers, a déclaré Isi à Live Science. Lorsqu'une vraie cloche sonne, par exemple, elle émet des ondes sonores et des ondes gravitationnelles indétectables, incroyablement faibles. Mais c'est un objet beaucoup plus compliqué. Une cloche est faite d'un matériau, par exemple (bronze peut-être, ou fonte), alors que selon le modèle sans cheveux, les trous noirs sont tous des singularités uniformes. Chaque cloche a également une forme quelque peu unique, tandis que les trous noirs sont tous des points infinitésimaux et sans dimension dans l'espace entourés d'horizons d'événements sphériques. Toutes ces caractéristiques d'une cloche peuvent être détectées dans le son qu'une cloche fait - du moins si vous savez quelque chose sur les cloches et les ondes sonores. Si vous pouviez en quelque sorte détecter les ondes gravitationnelles d'une cloche, vous détecteriez également ces différences de composition et de forme de cloche, a déclaré Isi.
"Le secret de toute cette entreprise est que la forme d'onde - le modèle de cet étirement et de cette compression - code les informations sur la source, la chose qui a fait cette onde gravitationnelle", a-t-il déclaré à Live Science.
Et les astronomes étudiant la vague de 2017 ont beaucoup appris sur la collision du trou noir qui l'a engendrée, a déclaré Isi.
Mais l'enregistrement était faible et pas très détaillé. LIGO, le meilleur détecteur d'ondes gravitationnelles au monde, a utilisé un laser pour mesurer les distances entre des miroirs disposés à 2,5 miles (4 kilomètres) les uns des autres en forme de L dans l'État de Washington. (Virgo, un détecteur similaire, a également détecté la vague en Italie.) Lorsque la vague a roulé sur LIGO, elle s'est déformée dans l'espace-temps elle-même et a légèrement modifié cette distance. Mais les détails de cette onde gravitationnelle n'étaient pas assez intenses pour que les détecteurs puissent les enregistrer, a déclaré Isi.
"Mais c'est comme si nous écoutions de très loin", a déclaré Isi.
À l'époque, cette vague offrait beaucoup d'informations. Le trou noir s'est comporté comme prévu. Il n'y avait aucune preuve évidente qu'il manquait un horizon d'événement (la région au-delà de laquelle aucune lumière ne peut s'échapper) et il ne s'écartait pas considérablement du théorème sans cheveux, a déclaré Isi.
Mais les chercheurs ne pouvaient pas être très certains de bon nombre de ces points, en particulier le théorème sans cheveux. La partie la plus simple de la forme d'onde à étudier, a déclaré Isi, est venue après la fusion des deux trous noirs en un seul trou noir plus grand. Il a continué à sonner pendant un certain temps, un peu comme une cloche frappée, envoyant son excès d'énergie dans l'espace sous forme d'ondes gravitationnelles - ce que les astrophysiciens appellent le processus de "sonnerie".
À l'époque, les chercheurs qui examinaient les données LIGO n'avaient repéré qu'une seule forme d'onde dans le ringdown. Les chercheurs ont pensé qu'il faudrait des décennies pour développer des instruments suffisamment sensibles pour capter les harmoniques plus silencieuses dans le ringdown. Mais l'un des collègues d'Isi, Matt Giesler, physicien au California Institute of Technology, a compris qu'il y avait une brève période juste après la collision où la sonnerie était suffisamment intense pour que LIGO enregistre plus de détails que d'habitude. Et à ces moments-là, la vague était suffisamment forte pour que LIGO prenne une connotation - une deuxième vague à une fréquence différente, tout comme les faibles notes secondaires qui sont portées par le son d'une cloche frappée.
Dans les instruments de musique, les harmoniques véhiculent la plupart des informations qui donnent aux instruments leurs sons distinctifs. Il en va de même pour les harmoniques d'une onde gravitationnelle, a-t-il dit. Et cette connotation nouvellement découverte a beaucoup clarifié les données sur le trou noir qui sonnait, a déclaré Isi.
Cela montrait, a-t-il dit, que le trou noir était au moins très proche d'un trou noir de Kerr. Le théorème sans cheveux peut être utilisé pour prédire à quoi ressemblera l'harmonique; Isi et son équipe ont montré que la connotation correspondait à peu près à cette prédiction. Cependant, l'enregistrement de la tonalité n'était pas très clair, il est donc possible que le ton soit quelque peu différent - d'environ 10% - de ce que le théorème prédirait ...
Pour aller au-delà de ce niveau de précision, a-t-il dit, il faudrait extraire une harmonique plus claire de la forme d'onde d'une collision de trous noirs ou construire un instrument plus sensible que LIGO, a déclaré Isi.
"La physique consiste à se rapprocher de plus en plus", a déclaré Isi. "Mais tu ne peux jamais être sûr."
Il est même possible que le signal de l'harmonique ne soit pas réel, mais qu'il se soit produit par hasard en raison de fluctuations aléatoires des données. Ils ont rapporté une "confiance de 3,6σ" dans l'existence de la connotation. Cela signifie qu'il y a environ 1 chance sur 6300 que la connotation n'est pas un vrai signal du trou noir.
À mesure que les instruments s'améliorent et que davantage d'ondes gravitationnelles sont détectées, tous ces nombres devraient devenir plus confiants et précis, a déclaré Isi. LIGO a déjà effectué des mises à niveau qui ont rendu la détection des collisions de trous noirs assez routinière. Une autre mise à niveau, prévue pour la mi-2020, devrait décupler sa sensibilité, selon Physics World. Une fois l'antenne spatiale de l'interféromètre laser (LISA) basée dans l'espace lancée au milieu des années 2030, les astronomes devraient être en mesure de confirmer le manque de poil des trous noirs à des degrés de certitude impossibles aujourd'hui.
Cependant, Isi a dit, il est toujours possible que les trous noirs ne soient pas complètement chauves - ils peuvent avoir un peu de fuzz de pêche quantique qui est tout simplement trop doux et court pour que nos instruments puissent capter.
