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Fusion de trous noirs : la première détection de plusieurs fréquences de sonnerie   

La fusion de deux trous noirs comporte trois étapes : les phases d'inspiration, de fusion et de sonnerie. Des ondes gravitationnelles caractéristiques sont émises à chaque phase. La dernière phase de sonnerie est très brève et code des informations sur les propriétés du trou noir final. La réanalyse des données de l'événement de fusion de trous noirs binaires GW190521 a fourni, pour la première fois, la preuve de répliques caractéristiques de la fusion sous la forme de deux faibles fréquences d'appel distinctes produites par le trou noir unique résultant alors qu'il se stabilisait pour prendre une forme symétrique stable. . Il s’agit de la première détection de plusieurs fréquences d’ondes gravitationnelles au stade de sonnerie. Tout comme une cloche « sonne » pendant un certain temps après avoir été coincée, le trou noir déformé qui en résulte s'est formé après la fusion « sonne » pendant un certain temps en émettant de faibles ondes gravitationnelles avant d'atteindre une forme symétrique et stable. Et, de la même manière, selon le théorème sans cheveux, la masse et la rotation du trou noir déterminent les fréquences de sonnerie. Par conséquent, ce développement ouvre la voie à l’utilisation des fréquences annulaires pour étudier les propriétés du trou noir final.  

Les trous noirs sont des objets massifs dotés de champs gravitationnels extrêmement puissants. Lorsque deux trous noirs en orbite tournent l’un autour de l’autre et finissent par fusionner, le tissu de l’espace-temps qui les entoure est perturbé, ce qui crée des ondulations d’ondes gravitationnelles rayonnant vers l’extérieur. Depuis septembre 2015, lorsque l'astronomie des ondes gravitationnelles a débuté avec la première détection par LIGO des ondes gravitationnelles générées par la fusion de deux trous noirs situés à 1.3 milliard d'années-lumière, la fusion des trous noirs est désormais régulièrement détectée presque une fois par semaine.   

La fusion de les trous noirs comporte trois phases. Lorsque les deux trous noirs sont largement séparés, ils gravitent lentement l’un autour de l’autre en émettant de faibles ondes gravitationnelles. Le binaire se déplace progressivement vers des orbites de plus en plus petites à mesure que l’énergie du système se perd sous forme d’ondes gravitationnelles. C'est phase d'inspiration de coalescence. Le suivant est phase de fusion lorsque les deux trous noirs se rapprochent suffisamment pour fusionner pour former un seul trou noir de forme déformée. Les ondes gravitationnelles (GW) les plus fortes sont émises à ce stade et sont désormais régulièrement détectées et enregistrées par les observatoires d'ondes gravitationnelles.  

La phase de fusion est suivie d'une étape très courte appelée étape de sonnerie dans lequel le trou noir déformé unique résultant atteint rapidement une forme sphérique ou sphéroïdale plus stable. Ondes gravitationnelles émis pendant la phase de sonnerie sont amortis et beaucoup plus faibles que les GW émis pendant la phase de fusion. Tout comme une cloche « sonne » pendant un certain temps après avoir été coincée, le trou noir unique qui en résulte « sonne » pendant un certain temps en émettant des ondes gravitationnelles beaucoup plus faibles avant d'atteindre une forme symétrique et stable.  

Les faibles fréquences de sonnerie multiples des ondes gravitationnelles libérées pendant la phase de sonnerie de la fusion de deux trous noirs n’étaient pas détectées jusqu’à présent.  

Une équipe de recherche a récemment réussi à détecter plusieurs fréquences d’ondes gravitationnelles lors de la phase de sonnerie de l’événement de fusion de trous noirs binaires GW190521. Ils ont recherché des tonalités d'atténuation individuelles dans les fréquences de sonnerie sans tenir compte de toute relation avec les fréquences et les temps d'amortissement et ont réussi à identifier deux modes impliquant le trou noir déformé résultant émis au moins deux fréquences après la fusion. Cela a été prédit par la relativité générale d'Einstein et le résultat confirme donc la théorie. En outre, les chercheurs ont comparé les fréquences et les temps d'amortissement des deux modes de sonnerie trouvés lors de l'événement de fusion pour tester le « théorème sans cheveux » (selon lequel les trous noirs sont complètement caractérisés par la masse et la rotation et qu'aucun autre « cheveu » n'est nécessaire pour décrire son effet). caractéristiques) et n’ai rien trouvé au-delà de la relativité générale.  

Il s’agit d’une étape importante car il était largement admis que l’observation de plusieurs fréquences de sonnerie ne serait pas possible avant que les détecteurs d’ondes gravitationnelles de nouvelle génération ne soient disponibles à l’avenir.  

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Sources:   

  1. Capano, CD et al. 2023. Spectre quasinormal multimode d'un trou noir perturbé. Lettres d'examen physique. Vol. 131, numéro 22. 1er décembre 2023. DOI : https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.221402  
  2. Max-Planck-Institut fürGravitationsphysik(Albert-Einstein-Institut), 2023. Actualités – Pour qui sonne le trou noir. Disponible à https://www.aei.mpg.de/749477/for-whom-the-black-hole-rings?c=26160 

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Umesh Prasad
Umesh Prasad
Journaliste scientifique | Rédacteur fondateur, magazine Scientific European

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