Un pas de deux, version trous noirs

La fusion d’un système binaire de trous noirs en un seul trou noir est l’un des systèmes les plus intéressants pour l’exploration des ondes gravitationnelles.

On distingue traditionnellement trois phases dans cet événement, souvent appelé coalescence de trou noir. Elles sont représentées dans le schéma ci-dessous, dessiné par le grand spécialiste des trous noirs Kip Thorne.

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Initialement, les deux trous noirs forment un système binaire en rotation. C’est de la masse en mouvement : le système perd donc de l’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles (la fréquence des ondes gravitationnelles est directement reliée à la fréquence de rotation). Les deux trous noirs se rapprochent donc et tournent de plus en plus vite. Cette phase est appelée phase spiralante. L’attraction gravitationnelle entre les deux trous noirs reste faible et on peut appliquer les méthodes standards de la gravitation pour calculer le signal de l’onde gravitationnelle émise.

A un certain moment, les deux trous noirs sont si proches que leurs deux horizons se touchent. L’horizon d’un trou noir est une surface sphérique qui correspond à la surface de non retour : une fois traversé, il est impossible de faire demi-tour et de dire ce que nous avons observé, on est définitivement attiré au centre du trou noir. Lorsque les horizons se sont touchés il ne reste qu’un seul trou noir. C’est la phase dite de fusion.

Parce que les effets gravitationnels à proximité de l’horizon sont forts, on a besoin de résoudre les équations d’Einstein en régime fort. Ceci est effectué en utilisant des méthodes numériques et a été un accomplissement majeur du domaine qu’on appelle la relativité numérique ces dix dernières années (ce calcul de la forme des ondes gravitationnelles pendant la fusion a même été surnommé le « grand défi » à la fin des années 1990). Etudier cette phase nous amènera à tester la relativité générale en régime fort (c’est-à-dire quand la gravité est forte), une vraie première.

La phase finale est appelée ringdown en anglais (baisser de rideau). Une fois que le nouveau trou noir s’est formé, avec une forme plutôt irrégulière d’horizon (faite des deux horizons précédents qui se touchent par un point), il se débarrassera de ses caractéristiques indésirables par une série d’oscillations résonnantes et l’émission d’ondes gravitationnelles. Les oscillations dépendent des paramètres des trous noirs (les trous noirs d’origine et le final) et les ondes gravitationnelles émises transportent toutes ces informations, encodées dans leur forme exacte. On obtiendra ainsi de nouveau des informations précieuses sur les trous noirs et la relativité générale en étudiant les ondes produites pendant le ringdown.

La vidéo ci-dessous (crédits : NASA/C.Henze)  présente une simulation de la fusion de deux trous noirs et l’émission des ondes gravitationnelles résultantes. Les champs colorés représentent une composante de la courbure de l’espace-temps. Les voiles rouges extérieurs représentent directement les ondes gravitationnelles qui s’échappent et seront peut-être détectées plus tard par un observatoires d’ondes gravitationnelles.

 

 

Une dernière question : pendant combien de temps un signal de fusion de trou noir peut-il être vu dans un détecteur ?

Pour répondre à cette question, on doit prendre conscience du fait que les détecteurs fonctionnent dans une certaine gamme de fréquence, typiquement entre 10 et 1000 Hz pour les détecteurs terrestres, et entre 1/10000 et 1/10 Hz pour les détecteurs spatiaux. Le signal des ondes gravitationnelles est vu par le détecteur uniquement s’il est émis dans cette gamme. Mais à mesure que les deux trous noirs tournent l’un autour de l’autre, leur fréquence de rotation s’accroit, tout comme la fréquence des ondes gravitationnelles émises.

Le système binaire peut avoir évolué depuis longtemps mais la fréquence n’entre dans la gamme des détecteurs que peu avant le plongeon final (les trous noirs sont alors  proches l’un de l’autre, l’attraction gravitationnelle plus forte et donc l’amplitude des ondes gravitationnelles plus importante). Typiquement, les détecteurs terrestres détectent le signal quelques secondes avant la fusion, et les détecteurs spatiaux quelques mois avant.

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