La fusion de deux trous noirs se déroule en trois phases : la phase d'approche, la fusion et la phase de relaxation. Des ondes gravitationnelles caractéristiques sont émises lors de chaque phase. La dernière phase, la relaxation, est très brève et contient des informations sur les propriétés du trou noir résultant . La réanalyse des données de la fusion binaire de trous noirs GW190521 a fourni, pour la première fois, la preuve de répliques gravitationnelles caractéristiques de la fusion, sous la forme de deux faibles fréquences de relaxation distinctes. Ces ondes sont produites par le trou noir unique résultant, alors qu'il atteint une forme symétrique stable. Il s'agit de la première détection de plusieurs fréquences d'ondes gravitationnelles lors de la phase de relaxation. Tout comme une cloche continue de sonner après avoir été bloquée, le trou noir unique et déformé formé après la fusion « rondit » pendant un certain temps en émettant de faibles ondes gravitationnelles avant d'atteindre une forme symétrique stable. De même que la forme d'une cloche détermine ses fréquences de résonance, la masse et la rotation du trou noir déterminent les fréquences de relaxation, conformément au théorème de l'absence de cheveux . Par conséquent, cette évolution ouvre la voie à l’utilisation des fréquences de relaxation 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 s'enroulent l'un autour de l'autre et finissent par fusionner, la structure de l'espace -temps environnant est perturbée, créant ainsi des ondes gravitationnelles qui se propagent vers l'extérieur. Depuis septembre 2015, date à laquelle l'astronomie des ondes gravitationnelles a débuté avec la première détection par LIGO d' ondes gravitationnelles générées par la fusion de deux trous noirs situés à 1.3 milliard d'années-lumière, des fusions de trous noirs sont désormais détectées de manière routinière, presque chaque semaine.
La fusion de trous noirs se déroule en trois phases. Lorsque les deux trous noirs sont très éloignés l'un de l'autre, ils orbitent lentement l'un autour de l'autre en émettant de faibles ondes gravitationnelles. Le système binaire se déplace progressivement vers des orbites de plus en plus petites à mesure que son énergie se dissipe sous forme d' ondes gravitationnelles . C'est la phase d'approche de la coalescence. La phase suivante est la fusion, au cours de laquelle les deux trous noirs se rapprochent suffisamment pour fusionner et former un seul trou noir à la forme déformée. C'est à ce stade que sont émises les ondes gravitationnelles les plus intenses, désormais détectées et enregistrées de manière routinière par les observatoires d'ondes gravitationnelles.
La phase de fusion est suivie d'une très courte phase appelée phase de relaxation , durant laquelle le trou noir unique et déformé qui en résulte acquiert rapidement une forme sphérique ou sphéroïdale plus stable. Les ondes gravitationnelles émises lors de cette phase sont amorties et beaucoup plus faibles que celles émises lors de la fusion. À l'instar d'une cloche qui résonne encore un certain temps après avoir été bloquée, le trou noir unique résultant « rétrograde » pendant un certain temps en émettant des ondes gravitationnelles beaucoup plus faibles avant d'atteindre une forme symétrique et stable.
Les faibles fréquences multiples de relaxation des ondes gravitationnelles libérées lors de la phase de relaxation de la fusion de deux trous noirs n'avaient pas encore été détectées.
Une équipe de recherche a récemment réussi à détecter plusieurs fréquences d'ondes gravitationnelles lors de la phase de relaxation de la fusion de deux trous noirs, GW190521. En recherchant des variations individuelles de ces fréquences de relaxation sans tenir compte de leur relation avec les temps d'amortissement, les chercheurs ont identifié deux modes, ce qui implique que le trou noir déformé résultant de la fusion a émis au moins deux fréquences. Ce résultat, prédit par la relativité générale d'Einstein, confirme donc la théorie. De plus, les chercheurs ont comparé les fréquences et les temps d'amortissement des deux modes de relaxation observés lors de la fusion afin de tester le « théorème de l'absence de cheveux » (selon lequel les trous noirs sont entièrement caractérisés par leur masse et leur rotation, et qu'aucun autre « cheveu » n'est nécessaire pour décrire leurs propriétés). Leurs résultats n'ont rien trouvé qui aille 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:
- 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
- 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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