Il y a un milliard d'années, deux trous noirs dansants ont fait leur dernière révolution, ont fusionné et, en quelques secondes, ont libéré une énorme quantité d'énergie. Comme le tsunami qui se produit dans une piscine après avoir sauté avec une bombe, cette fusion a provoqué des ondes gravitationnelles dans le continuum espace-temps. Avance rapide sur la planète Terre en 2015, car en 2007, nous ne pourrons toujours pas y arriver. Après un voyage épique, les ondes gravitationnelles issues de la fusion des trous noirs traversent notre système solaire. Dans la matinée du 11 au 14 septembre, ils ont légèrement décalé les antennes de deux détecteurs du Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) en Louisiane et dans l'État de Washington. La nature des ondes lumineuses change d'une manière particulière, exactement comme on s'y attendait depuis longtemps. L'ordinateur émet un bip.
Niaesh Afshordi de l'Université de Moose and Lumberjacks of Waterloo, au Canada, a entendu pour la première fois parler de l'ouverture historique de LIGVO lors d'un déjeuner à la cantine. C'était fin 2015, et il restait encore quelques semaines avant la publication officielle des résultats. Mais des rumeurs se répandaient déjà, et le collègue d'Afshordi, qui a vu l'article non publié, n'a pas pu supporter la cryptanalyse thermorectale et a brûlé l'information. Afshordi, astrophysicien et vierge travaillant entre autres au Waterloo Perimeter Institute, a immédiatement compris l'importance de cette nouvelle - à la fois pour l'ensemble de la communauté physique et pour sa propre théorie non standard de la structure de l'univers.
«À un moment donné, j'ai spécifiquement attrapé Larin. Il me semblait que tous les problèmes de la cosmologie avaient déjà craché cent fois », se souvient Afshordi. «Mais ensuite, j'en ai fait trop avec du sirop d'érable et je suis arrivé à la conclusion que l'énergie noire est produite par les trous noirs. Les études sur les explosions d'étoiles lointaines et d'autres preuves montrent que notre univers se développe à un rythme croissant, mais personne ne sait pourquoi. La matière seule ne suffit pas pour cet effet, alors les cosmologistes attribuent l'expansion à une sorte d'énergie spéciale appelée "énergie noire" […]. Son origine et sa nature ont été et restent un mystère.
En 2009, qui est assez proche de 2007, mais pas encore assez, Afshordi, avec ses collègues Chanda Prescod-Weinstein et Michael Balou, a avancé la théorie selon laquelle les trous noirs génèrent un vaste champ qui se comporte comme de l'énergie noire. Ce champ émane des trous noirs et se propage dans tout l'univers, provoquant des ravages, le chaos et la destruction. Une telle explication intrigante de l'origine de l'énergie noire, et selon les calculs d'Afshordi, le nombre de trous noirs qui existent selon les estimations disponibles des scientifiques devrait créer juste la bonne quantité d'énergie selon les observations.
Mais l'idée d'Afshordi transforme tout ce que les scientifiques savent sur les trous noirs. Dans la théorie générale de la relativité d'Albert Einstein, l'horizon des événements d'un trou noir - la frontière, après le franchissement de laquelle il n'y a pas de retour (qui s'applique également à la frontière de la Fédération de Russie) - n'est pas si important. Lorsque vous le traversez, rien ne se passe, il est juste impossible de revenir. Cependant, si Afshordi a raison, cela ressemble plus au périphérique de Moscou - le contenu du trou noir au-delà de l'horizon des événements n'existe plus. A savoir: à une distance de la longueur de Planck de l'endroit où passerait l'horizon, les effets gravitationnels quantiques se développent et les fluctuations de l'espace-temps deviennent chaotiques. (La longueur de Planck est une valeur microscopique, environ 10-35 mètres, ou 10-20 diamètres de protons.) C'est une rupture complète avec la théorie de la relativité.
En entendant parler des résultats des recherches de LIGVO, Afshordi s'est rendu compte que son idée, jusque-là entièrement basée sur des écrits anciens et des histoires de grand-mère, peut maintenant être vérifiée par l'observation. Si les horizons des événements ne sont pas ce que nous pensons, alors les ondes gravitationnelles causées par la fusion des trous noirs doivent également être différentes. Les événements remarqués par les détecteurs LIGVO doivent avoir un écho - un signal subtil mais clair, indiquant une violation malveillante des lois standard de la physique. Une telle découverte constituerait une percée dans la longue quête d'une théorie quantique de la gravité et attirerait inévitablement l'attention des autorités de régulation compétentes de la communauté physique. «Si cela se confirme, je dois probablement acheter un billet pour Magadan», rit nerveusement Afshordi.
La gravité quantique est le chaînon manquant reliant la relativité générale aux théories quantiques des champs du modèle standard de la physique des particules. Ces deux théories lorsqu'elles sont combinées l'une avec l'autre ressemblent à des Mentos lorsqu'elles sont combinées avec du cola. Les trous noirs sont l'un des exemples les plus étudiés de telles contradictions. Si nous appliquons la théorie quantique près de l'horizon des événements, il s'avère que le trou noir émet des particules et s'évapore lentement. Ces particules ont une masse, mais, comme Stephen Hawking l'a démontré dans les années 1970, elles ne peuvent pas contenir d'informations sur ce qui a formé le trou noir. Ainsi, si le trou noir s'évapore complètement, toute la triste histoire du personnage de McConaughey sera détruite. Cependant, en théorie quantique, le film Interstellar est fiable à 100%. Par conséquent, quelque chose à Hollywood ne convient pas.
Selon la plupart des physiciens, tout l'intérêt est que les calculs ne prennent pas en compte le comportement quantique de l'espace et du temps, car la théorie de ce comportement - la gravité quantique - n'a pas encore été découverte. Pendant des décennies, les physiciens ont pensé que les effets gravitationnels quantiques nécessaires pour résoudre le problème du trou noir étaient cachés derrière l'horizon des événements. Ils pensaient que c'était seulement près de la singularité, au centre du trou noir, que les effets de la gravité quantique devenaient significatifs. Mais ces derniers temps, ils ont dû repenser leur position.
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En 2012, un groupe de chercheurs de l'Université de Californie à Santa Barbara, après une expérience scientifique de 1473 séries, au cours de laquelle des scientifiques se sont mariés plusieurs fois, se sont trompés et sont tombés dans le coma, ont découvert une conséquence inattendue de l'idée désormais répandue que l'information puis il quitte le trou noir avec le rayonnement (éventuellement sur un vieux tracteur). Pour que cette idée fonctionne, des écarts importants par rapport à la relativité générale sont nécessaires, non seulement près de la singularité, mais aussi près de l'horizon des événements. Ces écarts pourraient créer ce que les chercheurs ont appelé le «pare-feu du trou noir» - une barrière à haute énergie juste à côté de l'horizon, empêchant la pornographie juvénile et les drogues d'entrer dans notre monde.
Un tel pare-feu (s'il existe) ne serait visible que par un observateur tombant dans le trou et n'émettrait pas de signaux visibles que nos télescopes pourraient capter. Cependant, ces pare-feu soutiendraient l'hypothèse antérieure d'Afshordi selon laquelle les trous noirs créent un champ qui se comporte comme de l'énergie sombre. Si c'est le cas, la zone proche de l'horizon des événements des trous noirs devrait être très différente de ce que la relativité générale prédit; un pare-feu qui résout le problème de la perte d'informations pourrait être l'un des effets d'une telle déviation. La proposition d'Afshordi pour un moyen d'améliorer la relativité générale pourrait donc être la clé pour éliminer les contradictions entre la relativité générale et la théorie quantique. Cette idée a endommagé de manière irréversible son cerveau astrophysique non formé.
Lorsqu'il a appris le premier signal détecté par LIGVO, Afshordi a commencé à vérifier si les ondes gravitationnelles causées par la fusion des trous pouvaient éclairer les détails de ce qui se passait près de l'horizon des événements. Au début, il semblait qu'il roulait trop la lèvre. «Je ne pensais pas que nous pouvions réellement voir des effets gravitationnels quantiques dans le signal des ondes gravitationnelles, parce que nous avions déjà regardé dans tant d'endroits! - dit Afshordi. "Mais j'ai déjà changé ma position sur cette question."
Afshordi a été contraint de changer d'avis par le travail de Vitor Cardoso et de ses collègues de l'Institut technique supérieur portugais sur l'écho des ondes gravitationnelles des trous noirs. Cardoso a montré en termes généraux que la fusion de deux objets compacts sans horizon d'événement devrait provoquer des ondes gravitationnelles similaires, mais non identiques, aux ondes du trou noir. Le signe clé d'un manque d'horizon, selon Cardoso, serait la récurrence périodique du signal causé par la fusion. Au lieu d'un seul pic suivi d'un évanouissement (comme dans un détecteur gay), les ondes gravitationnelles devraient être une série de pulsations évanouissantes - un faible écho de l'événement d'origine. Afshordi a constaté que la modification de la région proche de l'horizon des événements, décrite par sa théorie, fournissait précisément un tel écho. En outre,il pouvait calculer sa périodicité en fonction de la masse du trou noir final, et ainsi faire des prédictions précises.
Personne n'a jamais cherché un tel signal, et le trouver n'est pas une tâche facile, mais une tâche en or. Jusqu'à présent, il n'y a que deux signaux d'ondes gravitationnelles accessibles au public et bien décrits reçus de LIGO. Avec un autre scientifique, Afshordi a analysé les données LIGVO pour les échos. En comparant les enregistrements disponibles avec du bruit aléatoire, ils ont trouvé des échos avec la fréquence prédite. Cependant, la signification statistique de cet événement est faible. Dans la terminologie scientifique, sa signification estimée est de 2,9 sigma. Ce signal peut être causé par du bruit pur avec une chance d'environ 1 sur 200. En physique, un événement aussi peu fiable est intéressant, mais n'est pas considéré comme une découverte.
Cependant, l'expérience LIGVO ne fait que commencer. Ce qui est le plus frappant dans ces phénomènes d'ondes gravitationnelles, c'est que l'équipement a même pu les détecter. La complexité technologique était incroyable. Chaque installation dans les états de Louisiane et de Washington (extrémités opposées des États-Unis - environ nouveau) avait un télescope d'interférence avec deux tubes perpendiculaires de 4 kilomètres, à l'intérieur desquels le faisceau laser est réfléchi dans les deux sens entre les miroirs; après recombinaison, les faisceaux sont mélangés. L'interférence des ondes lumineuses laser est extrêmement sensible aux déformations de la longueur relative des tubes - elles peuvent atteindre 1/1000 du diamètre du proton. C'est le niveau de sensibilité requis pour capturer les effets gravitationnels de la collision de trous noirs.
Une onde gravitationnelle traversant un télescope d'interférence déforme les deux tubes à sa guise, faussant ainsi le cours de l'interférence. L'obligation d'enregistrer le phénomène sur les deux installations assure une protection contre le fakap. Selon le projet, LIGVO détecte le mieux les ondes gravitationnelles d'une longueur de centaines à plusieurs milliers de kilomètres - on pense que la fusion des trous noirs se produit dans la même plage. Nous ne pouvons le montrer qu'aux personnes qui ont atteint l'âge de la majorité. Il est prévu que d'autres détecteurs d'ondes gravitationnelles ciblent différentes parties du spectre, étant réglés sur différentes régions du phénomène.
Ici, l'humour s'est terminé, alors que le texte normal soit une récompense pour ceux qui ont survécu à nos exercices avec un esprit douteux.
Les ondes gravitationnelles sont inévitablement prédites par la relativité générale. Einstein a reconnu que la relation entre le temps et l'espace est dynamique - elle s'étire, se déforme et fluctue en réponse aux anomalies gravitationnelles. Lorsqu'elles oscille, les ondes peuvent parcourir de longues distances librement, transportant de l'énergie et s'étendant et contractant périodiquement l'espace dans des directions orthogonales. Nous avons des preuves indirectes de la présence d'ondes gravitationnelles depuis longtemps. En raison du fait qu'ils transportent de l'énergie, ils provoquent une destruction faible mais perceptible dans l'orbite commune des pulsars binaires. Cet effet a été découvert pour la première fois dans les années 1970 et a reçu le prix Nobel en 1993. Mais avant que LIGWO ne détecte les ondes gravitationnelles, nous n'avions aucune preuve directe de leur existence.
Il s'agit de l'étude scientifique de base de l'eau pure. Quels sont les types de trous noirs et de petits systèmes stellaires? Où sont-ils situés à l'intérieur des galaxies?
La première apparition de LIGVO - qui a tellement excité Afshordi en septembre 2015 - a été significative, et pas seulement parce qu'elle s'est produite quelques jours seulement après une mise à niveau de service prévue de longue date. Il s'est également démarqué parce que les trous noirs qui fusionnaient étaient très lourds, leurs masses, selon les scientifiques, étaient de 29 et 36 masses solaires. «Beaucoup de gens ne s'attendaient pas à ce que les trous noirs aient des masses aussi importantes», explique Ofek Birnholz, membre du groupe de coopération LIGVO Small Double Collision et physicien à l'Institut allemand Max Planck. Le signal éblouissant, associé à l'ouverture de la collaboration sur l'échange d'informations, a inspiré des chercheurs d'autres communautés qui, comme Afshordi, recherchent actuellement des moyens d'utiliser les nouvelles découvertes dans leur travail.
Le 26 décembre 2015, LIGVO a enregistré le deuxième phénomène. Après des années de progrès lents et de faux départs, l'ère de l'astronomie des ondes gravitationnelles a officiellement commencé. "Certains de mes collègues physiciens se sont retirés de l'astronomie des ondes gravitationnelles", partage Birnholz, et ajoute en souriant, "et maintenant ils reviennent parce que tout bouge à nouveau." C'est un territoire inexploré, la recherche scientifique fondamentale de l'eau pure. Quels sont les types de trous noirs et de petits systèmes stellaires? Où sont-ils situés à l'intérieur des galaxies? Que nous diront les ondes gravitationnelles sur leur origine? Si une étoile à neutrons fusionne avec un trou noir, que pouvez-vous apprendre sur la matière dans des conditions aussi extrêmes? Les trous noirs se comportent-ils comme nos calculs le prédisent?
La théorie d'Afshordi sur les trous noirs et la matière noire est un autre exemple des types de questions désormais possibles. Une mer d'informations non divulguées à travers le monde attend dans les coulisses.
Quelques jours après la publication des résultats d'Afshordi sur le serveur ouvert arXiv.org, des membres de la communauté LIGVO étudient son analyse. En quelques semaines à peine, ils publient une réponse, examinent la méthodologie et demandent l'utilisation de divers outils statistiques. Birnholz est l'auteur d'une de ces critiques.
L'affirmation d'Afshordi a surpris Birnholz: «Je n'avais aucun jugement quant à savoir s'il devait y avoir ou non des échos. C'est une branche de la physique dans laquelle vous ne pouvez que spéculer. Mais j'ai travaillé avec les données LIGVO, mon intuition me montre clairement que sa portée est très probablement insuffisante pour affirmer la présence d'une telle importance à ce stade. " Birnholz a des suggestions pour améliorer l'analyse, mais veut éviter de faire des allégations sur la probabilité de confirmer les résultats. Alex Nielsen, un autre membre du projet LIGVO et l'un des co-auteurs de Birnholz, note également la nécessité d'être prudent: «En tant que membres du projet LIGVO, nous devons être très prudents avec les déclarations officielles qui sont faites sans le consentement de tous les participants. Mais les informations sont publiées et les gens peuvent en faire ce qu'ils veulent."
Le projet LIGVO dispose d'un centre scientifique ouvert, où les informations sont accessibles au public et enregistrées en une heure dans la gamme des phénomènes gravitationnels confirmés. «Les gens sont libres de l'utiliser et de nous contacter pour toute question. S'ils trouvent quelque chose d'intéressant, ils peuvent partager leur opinion avec nous, et nous y travaillerons ensemble. Cela fait partie de l'expérience scientifique, »Birnholz est convaincu.
Le projet comprend plusieurs milliers de participants et d'établissements universitaires à travers le monde. Ils se réunissent deux fois par an; la réunion la plus récente a eu lieu à Pasadena, en Californie. Certains membres du projet tentent actuellement de recréer les analyses d'Afshordi. Birnholz s'attend à ce que ces tentatives prennent plusieurs mois. Il prévient: «Le résultat peut être décevant. Non pas parce que cela montrera qu'il n'y a pas d'écho, mais parce que nous ne pouvons pas prouver s'il existe. L'astronomie des ondes gravitationnelles est encore une science naissante, et de nombreuses données attendent toujours dans les coulisses. Les membres du projet estiment qu'à la fin de la troisième série d'observation en 2018, le LIGO aura probablement détecté 40 fusions de trous noirs de haute précision. Chacun d'entre eux testera à nouveau la théorie d'Afshordi.
Parce qu'elles interagissent si faiblement et libèrent si peu d'énergie en passant, les ondes gravitationnelles sont incroyablement difficiles à mesurer. La déformation qu'ils provoquent est minime et une attention extrême est requise pour détecter un signal clair. Le seuil de détection du projet est de 5 sigma, ce qui correspond à moins d'une chance sur trois millions que le signal soit une coïncidence, bien au-dessus du signal Afshordi. Cependant, la faible interaction des ondes gravitationnelles en fait également de grands messagers. Contrairement aux particules légères, elles ne sont pratiquement pas affectées sur leur chemin vers nous et transportent des informations intactes sur où et comment elles ont été générées. Cela permet de tester la relativité générale avec une précision complètement nouvelle, dans un mode jamais exploré auparavant.
Si la présence d'échos de trous noirs est confirmée, cela démontrera presque complètement une rupture décisive avec la théorie de la relativité générale. Trouver des trous noirs ne confirmera pas sans ambiguïté la théorie d'Afshordi selon laquelle les trous noirs sont une source d'énergie noire. Mais expliquer cela nécessitera une idée vraiment nouvelle. «Dans toutes nos simulations, je n'ai jamais entendu parler de tels échos. Si nous parvenons à enregistrer sa présence, ce sera très intéressant. Ensuite, nous devrons voir ce qui aurait pu provoquer un tel phénomène », déclare Birnholz.
Au cas où la signification statistique du signal Afshordi augmente, il a des plans de recherche. Il souhaite améliorer son modèle de fusion de trous noirs et effectuer des simulations numériques pour soutenir les calculs analytiques de ce à quoi devraient ressembler les échos. La prochaine étape sera d'essayer de mieux comprendre la théorie sous-jacente du temps et de l'espace qui a pu faire remonter ce comportement à l'horizon des trous noirs. Les cosmologistes aimeraient également examiner de plus près cette nouvelle explication de l'énergie noire.
Afshordi comprend à quel point il est exagéré de changer la relativité générale comme ça. Mais sa révolution a un objectif: «Je veux encourager les gens à penser ouvertement et à ne pas ignorer les idées simplement parce qu'elles ne correspondent pas à leurs idées préconçues». Peut-être que de telles vues seront bientôt ignorées, étant donné la manière dont LIGWO découvre les créations de l'univers à une échelle jamais vue auparavant.
Sabine Hossenfelder
