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Du passé infini au futur : Une simulation suit le parcours complet d'une onde gravitationnelle à travers l'espace-temps d'un trou noir
Par Tejasri Gururaj, Phys.org
Édité par Gaby Clark, relu par Robert Egan
Notes de la rédaction
Crédit : Unsplash/CC0 Domaine public
Dans une nouvelle étude de Physical Review Letters, des chercheurs ont réussi à suivre le parcours complet d'une onde gravitationnelle, du passé infini au futur infini, lors de sa rencontre avec un trou noir.
Présentée par des scientifiques de l'Université d'Otago et de l'Université de Canterbury, cette étude représente la première fois que l'on parvient à capturer l'intégralité de la relation de cause à effet de la diffusion des ondes gravitationnelles en une seule simulation.
Les chercheurs s'attaquent au problème de la diffusion en physique gravitationnelle. Autrement dit, ils souhaitent comprendre ce qui arrive aux ondes gravitationnelles lorsqu'elles rencontrent des objets massifs (comme les trous noirs) et se dispersent.
Ils doivent suivre les ondes depuis l'infini nul passé (où les ondes gravitationnelles incidentes prennent naissance dans l'espace-temps) jusqu'à l'infini nul futur (où le rayonnement sortant se propage finalement).
Ces limites de l'univers, semblables à celles de la lumière, représentent l'origine et le trajet des ondes gravitationnelles si elles voyagent indéfiniment sans être arrêtées.
Phys.org s'est entretenu avec les chercheurs à l'origine de l'étude : le professeur Joerg Frauendiener de l'Université d'Otago, le Dr Chris Stevens et Sebenele Thwala de l'Université de Canterbury.
« Nous avons montré, pour la première fois, qu'il est possible de suivre une onde gravitationnelle traversant l'espace-temps courbe d'un trou noir, depuis l'infini passé jusqu'à l'infini futur », a expliqué le Dr Stevens.
« La nécessité d'intégrer l'infini nous permet de calculer l'énergie et l'impulsion totales de l'espace-temps. Cela nous permet de déterminer de manière rigoureuse la part de l'énergie de l'onde gravitationnelle transmise au trou noir et celle qui s'échappe vers l'infini », a ajouté Thwala.
Saisir l'infini
Pour suivre la trajectoire d'une onde gravitationnelle, les chercheurs ont dû résoudre le problème de l'infini.
Dans la théorie de la relativité générale d'Einstein, des systèmes isolés comme les trous noirs existent dans un espace-temps asymptotiquement plat. Ce sont des régions qui deviennent plates et vides à des distances infinies.
Ces limites, appelées infinis nuls, représentent l'origine de la lumière et des ondes gravitationnelles (au-delà de l'infini nul) et leur destination finale (au futur infini nul).
Les simulations traditionnelles ne peuvent capturer que des régions finies de l'espace-temps, manquant ainsi une image complète du trajet des ondes depuis leur origine jusqu'à leur destination finale. En résumé, elles ne racontent pas toute l'histoire.
« Notre travail résout l'onde gravitationnelle à l'infini nul passé, fait évoluer les équations d'Einstein entièrement non linéaires à travers l'espace-temps du trou noir et extrait naturellement la forme d'onde gravitationnelle à l'infini nul futur », explique le professeur Frauendiener.
Cette approche globale fournit ce que les chercheurs appellent la véritable relation de cause à effet entre le rayonnement entrant et sortant.
Un tour de force mathématique
Les chercheurs ont utilisé les équations de champ conformes généralisées de Friedrich (EGCF), un cadre mathématique qui redimensionne l'espace-temps pour intégrer la distance infinie dans un domaine de calcul fini. Cela rend l'infini accessible.
Pour résoudre les équations d'évolution, les chercheurs ont développé un logiciel personnalisé appelé COnFormal Field Equation Evolver (COFFEE). Grâce à COFFEE, ils ont simulé des impulsions d'ondes gravitationnelles d'intensité variable rencontrant un trou noir de Schwarzschild.
Différences entre les quantités asymptotiques pertinentes et leurs valeurs dans l'espace-temps non perturbé le long de ℐ − et ℐ + pour une amplitude d'onde initiale a = 10. La ligne pointillée indique un temps futur infini. Notez que le temps s'écoule vers la gauche (droite) pour les quantités sur ℐ + ( ℐ − ) et que ( 𝜓 i ) l désigne le mode ( l , 0 ) de 𝜓 i . Crédit : Physical Review Letters (2025). DOI : 10.1103/PhysRevLett.134.161401
Les chercheurs ont testé une gamme d'amplitudes d'ondes, en suivant la part de leur énergie absorbée ou diffusée lors de la rencontre avec le trou noir.
Leurs simulations ont révélé que l'espace-temps est exceptionnellement rigide.
Pour les ondes incidentes de faible amplitude, seulement 8,5 % environ de l'énergie est rediffusée vers l'infini, le reste étant absorbé par le trou noir. Même pour les ondes de forte amplitude, seulement 20 % environ de l'énergie s'échappe.
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Mesure de l'énergie à l'infini
Pour comprendre la quantité d'énergie entrante et sortante lors du processus de diffusion, les chercheurs ont calculé deux quantités : l'énergie de Bondi et les nouvelles de Bondi aux deux infinis.
L'information de Bondi est simplement une quantité qui "annonce" l'existence d'un rayonnement gravitationnel. « En d'autres termes, si elle est non nulle, il y a rayonnement gravitationnel, et nulle sinon », explique Thwala.
D'autre part, l'énergie de Bondi est l'énergie totale sur un cône de lumière depuis n'importe quel point de l'espace-temps. C'est l'une des rares méthodes rigoureuses pour définir l'énergie en relativité générale.
Ces mesures ont permis aux chercheurs de vérifier la conservation de l'énergie avec une précision remarquable tout au long de leurs simulations, apportant une validation cruciale à leurs méthodes numériques.
Ils ont également observé des effets non linéaires fascinants. Malgré l'injection de motifs d'ondes simples, la dynamique complexe de l'espace-temps courbe a généré des modes d'ondes supplémentaires par rétroaction. Il s'agit essentiellement du cas où les ondes créent de nouvelles ondes lors de leur propagation.
Plus intriguant encore, lorsque le rayonnement sortant a atteint l'infini nul futur, il a présenté des oscillations caractéristiques appelées résonances quasi-normales, qui sont la fréquence de vibration naturelle du trou noir.
Les chercheurs ont constaté que cette fréquence restait inchangée quelles que soient les propriétés de l'onde incidente. suggérant que cela dépend uniquement du trou noir lui-même.
Implications et affinement du modèle
Le Dr Stevens a souligné l'importance de leurs travaux, déclarant : « Disposer de données aux deux infinis permet, pour la première fois, de formuler des conclusions rigoureuses sur ce qui entre et ce qui sort. »
« Cela peut commencer à répondre à des questions sur la façon dont les trous noirs diffusent les ondes gravitationnelles, sur la quantité d'énergie absorbée par le trou noir et sur celle qui est rayonnée. »
Ceci est particulièrement important en astronomie moderne, où des expériences comme LIGO détectent les ondes gravitationnelles émergeant des trous noirs ou des étoiles à neutrons.
Malgré des résultats prometteurs, les chercheurs identifient un défi qui reste à relever.
« Le principal problème de la méthode actuelle est que l'onde initiale n'est pas fixée directement sur l'infini nul passé », a déclaré le professeur Frauendiener. « L'idéal serait de pouvoir fixer directement l'onde entrante, puis de la faire évoluer vers l'infini nul futur. »
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RESUME
Du passé infini jusq'
au futur : une simulation suit le parcours complet d'une onde gravitationnelle à travers l'espace-temps d'un trou noir
Dans une nouvelle étude de Physical Review Letters, des chercheurs ont réussi à suivre le parcours complet d'une onde gravitationnelle, du passé infini au futur infini, lorsqu'elle rencontre un trou noir.
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COMMENTAIRES
I l s agit a partir du peu que l on connait actuellement et dans un cdre de l'ccrétion de Bondi-Hoyle-Lyttleton (BHL)de se donner l equation puis la figure d onde gravitationnelle
Cest un travail tres speculatif et le seul point eventuellement vérifiable est l onde du préent ;d aujourd hui !
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More information: Jörg Frauendiener et al, Fully Nonlinear Gravitational Wave Simulations from Past to Future Null Infinity, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.161401.
Journal information: Physical Review Letters
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