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New insights into black hole scattering and gravitational waves unveiled

by Queen

Mar

De  nouvelles connaissances sur la diffusion des trous noirs et les ondes gravitationnelles dévoilées par Queen Mary, Université de Londres

Notes de la rédaction

Crédit : CC0 Domaine public

Une étude publiée dans Nature établit une nouvelle référence dans la modélisation des événements les plus extrêmes de l'Univers : les collisions de trous noirs et d'étoiles à neutrons. Cette recherche, menée par le professeur Jan Plefka de l'Université Humboldt de Berlin et le Dr Gustav Mogull de l'Université Queen Mary de Londres, anciennement à l'Université Humboldt et à l'Institut Max Planck de physique gravitationnelle (Institut Albert Einstein), et menée en collaboration avec une équipe internationale de physiciens, apporte une précision sans précédent aux calculs essentiels à la compréhension des ondes gravitationnelles.

À l'aide de techniques de pointe inspirées de la théorie quantique des champs, l'équipe a calculé le cinquième ordre post-Minkowskien (5PM) pour des observables tels que les angles de diffusion, l'énergie rayonnée et le recul. Un aspect révolutionnaire de ces travaux est l'apparition de périodes triples de Calabi-Yau – des structures géométriques issues de la théorie des cordes et de la géométrie algébrique – au sein de l'énergie radiative et du recul. Ces structures, autrefois considérées comme purement mathématiques, trouvent aujourd'hui leur pertinence dans la description de phénomènes astrophysiques réels.

Alors que les observatoires d'ondes gravitationnelles comme LIGO entrent dans une nouvelle phase de sensibilité et que des détecteurs de nouvelle génération comme LISA se profilent à l'horizon, ces recherches répondent à la demande croissante de modèles théoriques d'une précision extraordinaire.

Le Dr Mogull explique : « Si le processus physique d'interaction et de diffusion gravitationnelle de deux trous noirs que nous étudions est conceptuellement simple, le niveau de précision mathématique et informatique requis est immense. »

Benjamin Sauer, doctorant à l'Université Humboldt de Berlin, ajoute : « L'apparition des géométries de Calabi-Yau approfondit notre compréhension de l'interaction entre mathématiques et physique. Ces connaissances façonneront l'avenir de l'astronomie des ondes gravitationnelles en améliorant les modèles que nous utilisons pour interpréter les données d'observation. »

Cette précision est particulièrement importante pour capter les signaux des systèmes elliptiques, dont les orbites ressemblent davantage à des événements de diffusion à grande vitesse, un domaine où les hypothèses traditionnelles sur les trous noirs lents ne s'appliquent plus.

Les ondes gravitationnelles, des ondulations de l'espace-temps provoquées par l'accélération d'objets massifs, ont révolutionné l'astrophysique depuis leur première détection en 2015. La capacité à modéliser ces ondes avec précision améliore notre compréhension des phénomènes cosmiques, notamment le recul des trous noirs après diffusion – un processus aux implications profondes pour la formation et l'évolution des galaxies.

Plus fascinant encore, la découverte des structures de Calabi-Yau dans ce contexte relie le domaine macroscopique de l'astrophysique aux mathématiques complexes de la mécanique quantique.

« Cela pourrait fondamentalement changer la façon dont les physiciens abordent ces fonctions », explique le Dr Uhre Jakobsen, membre de l'équipe de l'Institut Max Planck de physique gravitationnelle et de l'Université Humboldt de Berlin. « En démontrant leur pertinence physique, nous pouvons nous concentrer sur des exemples précis qui éclairent de véritables processus naturels. »

Le projet a mobilisé plus de 300 000 heures de calcul haute performance à l'Institut Zuse de Berlin pour résoudre les équations régissant les interactions des trous noirs, démontrant ainsi le rôle indispensable de la physique computationnelle dans la science moderne.

« La disponibilité rapide de ces ressources de calcul a été essentielle au succès du projet », ajoute Mathias Driesse, doctorant et responsable des travaux de calcul.

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Le professeur Plefka déclare : « Cette avancée illustre comment les efforts interdisciplinaires peuvent surmonter des défis autrefois jugés insurmontables. De la théorie mathématique au calcul pratique, cette recherche illustre la synergie nécessaire pour repousser les limites de la connaissance humaine.»

Cette avancée fait non seulement progresser la physique des ondes gravitationnelles, mais comble également le fossé entre les mathématiques abstraites et l’univers observable, ouvrant la voie à de futures découvertes. La collaboration est appelée à étendre ses efforts, en explorant des calculs d’ordre supérieur et en utilisant les nouveaux résultats dans de futurs modèles de formes d’ondes gravitationnelles. Au-delà de la physique théorique, les outils de calcul utilisés dans cette étude, tels que KIRA, ont également des applications dans des domaines comme la physique des collisionneurs.

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Une étude publiée dans Nature établit une nouvelle référence dans la modélisation des événements les plus extrêmes de l'univers : les collisions de trous noirs et d'étoiles à neutrons. Cette recherche, menée par le professeur Jan Plefka de l'Université Humboldt de Berlin et le Dr Gustav Mogull de l'Université Queen Mary de Londres, anciennement à l'Université Humboldt et à l'Institut Max Planck de physique gravitationnelle (Institut Albert Einstein), et en collaboration avec une équipe internationale de physiciens, apporte une précision sans précédent aux calculs essentiels à la compréhension des ondes gravitationnelles.

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COMMENTAIRES 

Le  Dr R.O.HARTMANSHENN qui rédige  ce blog se félicite de cette avancée   dans  le dépouillement  des ondes gravitationnelles  et des possibilités offertes   pour une meilleure compréhension  des  premires phases de l'Univers q;Bravo !

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More information: Emergence of Calabi–Yau manifolds in high-precision black-hole scattering, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08984-2

Journal information: Nature 

Provided by Queen Mary, University of London 

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