Résumé en 5 images extraites d’une de mes présentations powerpoint sur les trous noirs
Le mystère des ondes gravitationnelles, posé il y a un siècle par Albert Einstein dans un article paru en mars 1916, met en jeu les infimes variations de courbure de l’espace-temps engendrées par le mouvement d’objets relativistes. En haut à gauche : vue d’artiste figurant les ondes gravitationnelles engendrées par un système binaires d’étoiles compactes (étoiles à neutrons et/ou trous noirs). En haut à droite : vue d’artiste des ondes gravitationnelles engendrées par l’effondrement (non sphérique) d’une étoile en trou noir. En bas au centre : rappel du fait que l’existence des ondes gravitationnelles a d’abord été prouvée indirectement en 1974 grâce à l’analyse d’un pulsar binaire (couple d’étoiles à neutrons), dont la période orbitale décroît à la suite de la perte d’énergie due aux ondes gravitationnelles.
Les premières détections directes des ondes gravitationnelles ont été effectuées le 14 septembre 2015 (événement GW150914) et le 26 décembre 2015 (événement GW151226) par les deux détecteurs du programme LIGO situés aux Etats-Unis. Séparés par 3000 km, les détecteurs reçoivent le même signal à un centième de seconde d’intervalle, puisque les ondes gravitationnelles se déplacent à la vitesse de la lumière dans le vide, 300 000 km/s.
La comparaison entre le calcul théorique (en haut) et les données reçues (en bas) montre sans ambiguïté que le signal gravitationnel provient de la fusion de deux trous noirs en un trou noir unique, en trois phases extrêmement brèves (le tout durant moins d’une seconde dans la bande de fréquence dans laquelle les détecteurs sont sensibles): phase d’approche des deux trous noirs, fusion (signal maximum), vibration et stabilisation du trou noir final.
La modélisation des événements GW150914 et GW152612 permet notamment de déduire les masses des trous noirs mis en jeu. Il s’agit en l’occurrence de trous noirs “stellaires”, bien que dans l’événement du 14 septembre 2015 les masses sont sensiblement plus élevées que la “normale”, ce qui soulève d’intéressantes questions sur la formation de tels couples. La masse du trou noir final est, dans les deux cas, inférieure à la somme des masses des trous noirs parents : en vertu de la formule E=mc2, la différence a précisément été évacuée sous forme d’énergie gravitationnelle propagée par les ondes. Dans les deux cas aussi, ces événements se sont produits il y a près de 1,5 milliards d’années dans le passé. Notons qu’un troisième événement similaire, semblant lui aussi émaner d’une fusion de trous noirs situés cette fois à plus de 3 milliards d’années-lumière, a été observé le 12 octobre 2015, mais sa signification statistique n’est pas suffisante pour le qualifier. Cela implique d’une part que les couples de trous noirs sont beaucoup plus nombreux que ce que prédisaient les modèles conventionnels, d’autre part que ces détections pourraient être faites à un rythme de quelques dizaines par an, bien plus grand que prévu.
Et pour approfondir le sujet des ondes gravitationnelles, voir ma suite de 4 billets de février dernier consacrés au sujet :
Pour ma part, je finis le deuxième tome du destin de l’Univers (édition de poche). :-). J’ai beaucoup aimé l’Univers chiffonné également sur un sujet qui n’est pas beaucoup abordé la topologie de l’Univers. Monsieur Luminet est-ce que le modèle d’Univers dodécaédrique est-il toujours privilégié ? Peut-être doit-il être confronté à des données observationnelles ? Est-ce qu’il y a toujours des études menées sur le sujet ? Merci Stéphane Le Cras
Bien meilleur explication.Donc cela s’est produit dans le passé.Les machines détectent notre passé?? Ce que je comprends alors, est-ce nécessairement le trou noir du centre de notre galaxie… selon l’explication, je ne le crois pas. Les équations sont si belles et si simples… Quel travail passionnant! Merci de nous en faire part.
Bonjour Monsieur Luminet, Ces preuves de l’existence des ondes gravitationnelles impliquent elles la preuve irréfutable de l’existence des trous noirs qui, si je ne m’abuse, n’avait pu être strictement démontrée? Merci de votre réponse.
C’est en tout cas la preuve la plus directe. Irréfutable, on ne peut vraiment utiliser ce terme ailleurs qu’en mathématiques pures (et encore…). Merci de me lire.
Bonjour Mr Luminet, tout d’abord, permettez moi de vous féliciter pour vos travaux et de vous remercier de prendre de votre temps (qui lui n’est pas flexible) pour instruire les profanes que nous sommes. Que pensez vous de l’hypothèse d’Hawking sur le rayonnement de particules qui semblerait s’échapper des trous noirs de par la scission des paires particules/antiparticules? (confirmé en laboratoire récemment d’après l’actualité) Et si cela se confirmait, comment des particules dotées de masse pourraient s’échapper d’un trou noir alors que les photons (sans masse et allant à la vitesse c) y sont piégés? Cela remet-il directement en question la connaissance que nous avons des particules subatomiques et de la physique en général? Ai-je bien tout compris? J’avoue en perdre mon latin! (qui n’est pas très élaboré j’en conviens!) Bien à vous.
Bonjour. L’hypothèse de Hawking a pour principal intérêt de tisser un lien entre gravité et physique quantique. Mais ce lien n’est pas encore très clair (cf mes billets sur le principe holographique), et en tout état de cause il n’y a aucune vérification expérimentale, contrairement à ce qui a été annoncé récemment (il ne s’agit que d’une analogie avec des phénomènes acoustiques). Par ailleurs les phénomènes quantiques permettraient que des particules dotées de masse aussi bien que des photons s’échappent du trou noir par effet tunnel.
Bonjour Mr Luminet. Une question de pure curiosité. La fusion de deux trous noirs a été observée à 3 reprises (dont une probable) en 2015. Comme le temps se fige aux abords (son “horizon”) d’un trou noir, comment une telle fusion qui est un phénomène temporel peut-elle être perçue comme “instantanée” alors qu’au moment de cette dernière nous sommes en train d’observer une interaction à une distance de séparation de 2 corps proches de leur “horizon”, donc on devrait voir un temps dilaté à l’extrême (figé)? D’ailleurs le fait même de parler d’ondes (gravitationnelles) laisse penser que c’est par définition une propagation liée au temps mais est-ce que les ondes gravitationnelles sont atemporelles et non affectées par la matière qu’elles traversent? En d’autres termes qu’est-ce que le temps dans ces lieux là? Merci pour votre commentaire et pour votre travail (j’ai lu votre livre sur l’Univers chiffonné: passionnant).
Merci de me lire. Comme je l’ai écrit en réponse à un autre commentaire, du point de vue extérieur ce ne sont pas en effet les trous noirs au sens strict du terme que l’on peut observer, puisque leur horizon des événements est rejeté dans notre futur infini par un phénomène de gel temporel. Mais on observe un « horizon élargi » dont les propriétés astrophysiques sont exactement les mêmes, à commencer par l’émission d’ondes gravitationnelles…
J’eus le vertige et je pleurai car mes yeux avaient vu cet objet secret et conjectural dont les hommes usurpent le nom, mais qu’aucun homme n’a regardé : l’inconcevable univers. Jorge Luis Borges, L’Aleph (1949)
je vais de ce pas acheter votre livre. Merci, vous êtes un limpide.
Pour ma part, je finis le deuxième tome du destin de l’Univers (édition de poche). :-). J’ai beaucoup aimé l’Univers chiffonné également sur un sujet qui n’est pas beaucoup abordé la topologie de l’Univers. Monsieur Luminet est-ce que le modèle d’Univers dodécaédrique est-il toujours privilégié ? Peut-être doit-il être confronté à des données observationnelles ?
Est-ce qu’il y a toujours des études menées sur le sujet ?
Merci
Stéphane Le Cras
Bien meilleur explication.Donc cela s’est produit dans le passé.Les machines détectent notre passé?? Ce que je comprends alors, est-ce nécessairement le trou noir du centre de notre galaxie… selon l’explication, je ne le crois pas.
Les équations sont si belles et si simples… Quel travail passionnant! Merci de nous en faire part.
Bonjour Monsieur Luminet,
Ces preuves de l’existence des ondes gravitationnelles impliquent elles la preuve irréfutable de l’existence des trous noirs qui, si je ne m’abuse, n’avait pu être strictement démontrée?
Merci de votre réponse.
C’est en tout cas la preuve la plus directe. Irréfutable, on ne peut vraiment utiliser ce terme ailleurs qu’en mathématiques pures (et encore…). Merci de me lire.
Bonjour Mr Luminet, tout d’abord, permettez moi de vous féliciter pour vos travaux et de vous remercier de prendre de votre temps (qui lui n’est pas flexible) pour instruire les profanes que nous sommes.
Que pensez vous de l’hypothèse d’Hawking sur le rayonnement de particules qui semblerait s’échapper des trous noirs de par la scission des paires particules/antiparticules? (confirmé en laboratoire récemment d’après l’actualité) Et si cela se confirmait, comment des particules dotées de masse pourraient s’échapper d’un trou noir alors que les photons (sans masse et allant à la vitesse c) y sont piégés? Cela remet-il directement en question la connaissance que nous avons des particules subatomiques et de la physique en général? Ai-je bien tout compris? J’avoue en perdre mon latin! (qui n’est pas très élaboré j’en conviens!)
Bien à vous.
Bonjour. L’hypothèse de Hawking a pour principal intérêt de tisser un lien entre gravité et physique quantique. Mais ce lien n’est pas encore très clair (cf mes billets sur le principe holographique), et en tout état de cause il n’y a aucune vérification expérimentale, contrairement à ce qui a été annoncé récemment (il ne s’agit que d’une analogie avec des phénomènes acoustiques). Par ailleurs les phénomènes quantiques permettraient que des particules dotées de masse aussi bien que des photons s’échappent du trou noir par effet tunnel.
Bonjour Mr Luminet.
Une question de pure curiosité.
La fusion de deux trous noirs a été observée à 3 reprises (dont une probable) en 2015. Comme le temps se fige aux abords (son “horizon”) d’un trou noir, comment une telle fusion qui est un phénomène temporel peut-elle être perçue comme “instantanée” alors qu’au moment de cette dernière nous sommes en train d’observer une interaction à une distance de séparation de 2 corps proches de leur “horizon”, donc on devrait voir un temps dilaté à l’extrême (figé)? D’ailleurs le fait même de parler d’ondes (gravitationnelles) laisse penser que c’est par définition une propagation liée au temps mais est-ce que les ondes gravitationnelles sont atemporelles et non affectées par la matière qu’elles traversent? En d’autres termes qu’est-ce que le temps dans ces lieux là?
Merci pour votre commentaire et pour votre travail (j’ai lu votre livre sur l’Univers chiffonné: passionnant).
Merci de me lire. Comme je l’ai écrit en réponse à un autre commentaire, du point de vue extérieur ce ne sont pas en effet les trous noirs au sens strict du terme que l’on peut observer, puisque leur horizon des événements est rejeté dans notre futur infini par un phénomène de gel temporel. Mais on observe un « horizon élargi » dont les propriétés astrophysiques sont exactement les mêmes, à commencer par l’émission d’ondes gravitationnelles…