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Study resolves puzzles in gravitational collapse of gravitational waves

Une étude résout les énigmes de l’effondrement gravitationnel des ondes gravitationnelles

Par Ingrid Fadelli, Phys.org

La force d'une onde gravitationnelle en fonction de la distance à l'origine (axe horizontal) et d'une mesure spécifique du temps (axe vertical). Les deux panels représentent les résultats de deux codes différents, et l’équipe a constaté qu’ils concordaient bien. Les données sont affichées de telle manière qu'une autosimilarité exacte produirait des motifs exactement répétés dans cette image. Même si les chercheurs observent clairement des modèles répétés, il est également clair qu’ils ne se répètent qu’approximativement plutôt qu’exactement. Crédit : Baumgarte et al, Physical Review Letters (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.131.181401

Les trous noirs sont des régions de l’espace où l’attraction gravitationnelle est si forte que rien ne peut leur échapper, pas même la lumière. Ces régions fascinantes ont fait l’objet d’innombrables études, mais une partie de la physique qui sous-tend leur formation n’est pas encore entièrement comprise.

Les trous noirs se forment lors de ce que l’on appelle l’effondrement gravitationnel. Il s’agit essentiellement de la contraction d’un objet cosmologique, provoquée par sa propre gravité attirant la matière vers l’intérieur (c’est-à-dire vers le centre de gravité de l’objet).

Le fait qu’un tel objet qui s’effondre forme ou non un trou noir dépend des propriétés spécifiques de l’objet. Dans certains cas, un objet peut être très proche du seuil et avoir du mal à décider s’il doit ou non former un trou noir. Ce type d'effondrement se traduit par des phénomènes dits critiques.

Les physiciens tentent depuis des décennies de comprendre les phénomènes critiques de l’effondrement gravitationnel, car certaines de ses propriétés sont partagées par d’autres systèmes physiques bien connus. Un article récent publié dans Physical Review Letters par une collaboration de recherche internationale basée au Bowdoin College aux États-Unis et dans d'autres instituts en Allemagne, à Prague et au Royaume-Uni. et le Portugal, ont trouvé un accord entre trois simulations numériques menées indépendamment de ces phénomènes et ont résolu certaines énigmes de longue date dans ce domaine d'étude.

"Les phénomènes critiques d'effondrement gravitationnel, proches du début de la formation d'un trou noir, ont été signalés pour la première fois par Matt Choptuik il y a environ 30 ans", a déclaré Thomas W. Baumgarte, co-auteur de l'article, à Phys.org.

"En partie parce que ces effets partagent de nombreuses propriétés avec des phénomènes critiques dans d'autres domaines de la physique (par exemple, les transitions de phase en physique statistique) et en partie parce qu'ils abordent des questions fondamentales concernant les propriétés de la relativité générale, ils ont immédiatement attiré l'attention de nombreux chercheurs du monde entier. différents domaines de la physique. »

Deux des propriétés les plus fascinantes de l’effondrement gravitationnel critique sont l’universalité et l’autosimilarité. Dans ce contexte, le terme universalité fait référence à l'idée selon laquelle quelle que soit la manière dont commence un calcul, à mesure que le début de la formation d'un trou noir approche, la solution sera toujours la même. L’autosimilarité, en revanche, signifie que cette solution universelle répétera les mêmes schémas à mesure que l’échelle physique sera réduite.

Lorsrque les calculs de Choptuik impliquaient un champ dit scalaire comme source de matière, Andrew Abrahams et Chuck Evans ont peu après rapporté des effets similaires pour l'effondrement gravitationnel des ondes gravitationnelles (c'est-à-dire pour la gravité pure en l'absence de toute matière)", a expliqué Baumgarte. . .

"Une autre différence est que Choptuik était capable de supposer une symétrie sphérique, alors que les ondes gravitationnelles ne peuvent pas exister dans une symétrie sphérique, de sorte qu'Abrahams et Evans ont dû assouplir l'hypothèse de symétrie sphérique. Malheureusement, il a été très difficile de reproduire ces derniers résultats, car certains codes numériques ont complètement échoué dans ce cas, ou ont fourni des résultats qui semblaient contredire ceux d'Abrahams et Evans.

Suite aux résultats apparemment contradictoires obtenus dans les années 1990, la nature de l’effondrement critique de la « gravitation pure » est restée un mystère non résolu pendant près de trois décennies. Cependant, récemment, trois groupes de recherche différents ont réalisé des simulations numériques indépendantes de cet effondrement, en utilisant des codes développés indépendamment.

"Ces trois codes résolvent les équations de la relativité générale d'Einstein, mais ils utilisent des stratégies numériques complètement différentes (par exemple, méthodes spectrales versus méthodes de différences finies)", a déclaré Baumgarte. "Coordonnées cartésiennes par rapport aux coordonnées polaires sphériques, conditions de jauge différentes, etc. Les trois codes font également des choix différents pour ce que l'on appelle la" condition de découpage "(c'est-à-dire qu'ils adoptent des choix différents pour la vitesse à laquelle le temps avance dans les codes)."

L'objectif principal de la récente étude menée par Baumgarte et ses collègues était d'examiner collectivement les trois simulations numériques récemment réalisées par ces trois équipes de recherche différentes. Leur article était donc le fruit d’un effort conjoint des équipes, visant à relier leurs efforts de recherche indépendants pour apporter un nouvel éclairage sur la nature de l’effondrement gravitationnel.

"Comme première découverte, nous rapportons que, malgré toutes les différences numériques, nos codes produisent des résultats tout à fait cohérents pour l'effondrement critique des ondes gravitationnelles", a déclaré Baumgarte. "Cela nous donne l'assurance que ces résultats sont corrects et non des artefacts numériques. Faire un choix approprié pour la condition de découpage s'avère crucial : un autre choix très courant, qui a réussi pour de nombreuses autres simulations de relativité numérique, échoue pour ce cas, ce qui explique pourquoi certaines tentatives précédentes pour résoudre ce problème ont échoué. »

Notamment, dans leurs trois simulations numériques indépendantes, les chercheurs n’ont trouvé aucune preuve étayant la propriété d’universalité. En d’autres termes, ils ont découvert que commencer le numérique avec des données initiales différentes entraînait des valeurs différentes à l’approche de la formation d’un trou noir.

"Nos découvertes expliquent une autre pièce du puzzle", a déclaré Baumgarte. "Certaines études antérieures avaient fait état de différences par rapport aux résultats d'Abrahams et Evans, qui semblaient donc contradictoires. Cependant, ces études utilisaient également des données initiales différentes. Un désaccord entre les résultats ne constitue donc une contradiction que sous l'hypothèse d'universalité - pour laquelle nous ne le faisons pas." je ne vois aucune preuve. »

Bien que les chercheurs n’aient trouvé aucune preuve d’universalité, ils ont trouvé des preuves approximatives d’autosimilarité. Mais il est important de noter que, contrairement à celle observée dans le cas d’un effondrement critique en symétrie sphérique, l’autosimilarité observée ne semble pas exacte.

Dans les années 1990, Abrahams et Evans avaient également signalé une autosimilarité non exacte. Ces résultats récents sont donc alignés sur les découvertes précédentes, suggérant potentiellement que les écarts signalés par rapport à une autosimilarité exacte pourraient être liés à l'absence de symétrie sphérique.

Les travaux récents de Baumgarte et de ses collègues pourraient bientôt ouvrir la voie à de nouvelles études numériques et théoriques visant à approfondir et à recadrer l’effondrement critique des ondes gravitationnelles. Cela pourrait rapprocher les physiciens de la découverte de la nature et des mystères de ce phénomène physique intrigant, connu pour précéder la formation des trous noirs.

"Bien que nous pensons que nos travaux ont résolu plusieurs questions ouvertes dans le contexte de l'effondrement critique des ondes gravitationnelles, plusieurs questions complémentaires demeurent", a ajouté Baumgarte. "Par exemple, nous avons trouvé des solutions approximativement auto-similaires pour certaines familles de données initiales, mais pas pour d'autres, et la nature de la "solution seuil" pour ces autres familles reste claire.

"Il serait également souhaitable d'effectuer des simulations avec un meilleur réglage du début de la formation des trous noirs (par exemple, en utilisant des codes numériques avec une meilleure résolution et/ou d'autres améliorations) pour explorer si une solution critique universelle émerge pour un réglage précis de cette situation. est mieux que quiconque n’a réalisé jusqu’à présent.

"Enfin, nous prévoyons d'étudier les causes des écarts par rapport à une auto-similarité exacte et de déterminer si ces écarts sont directement liés à l'absence de symétrie sphérique."

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More information: Thomas W. Baumgarte et al, Critical Phenomena in the Collapse of Gravitational Waves, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.181401

Journal information: Physical Review Letters 

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