Crédit d'image: Penn State
Les scientifiques de Penn State ont franchi une nouvelle étape dans leurs efforts pour modéliser deux trous noirs en orbite, un événement qui devrait engendrer de fortes ondes gravitationnelles. «Nous avons découvert un moyen de modéliser numériquement, pour la première fois, une orbite de deux trous noirs inspirants», explique Bernd Bruegmann, professeur agrégé de physique et chercheur au Penn State Institute for Gravitational Physics and Geometry. Les recherches de Bruegmann s'inscrivent dans une entreprise mondiale visant à capturer la première onde de gravité en train de rouler sur la Terre.
Un article décrivant ces simulations sera publié dans le numéro du 28 mai 2004 de la revue Physical Review Letters. L'article est rédigé par Bruegmann et deux chercheurs postdoctoraux de son groupe à Penn State, Nina Jansen et Wolfgang Tichy.
Les trous noirs sont décrits par la théorie d'Einstein de la relativité générale, qui donne une description très précise de l'interaction gravitationnelle. Cependant, les équations d'Einstein sont compliquées et notoirement difficiles à résoudre, même numériquement. De plus, les trous noirs posent leurs propres problèmes. À l'intérieur de chaque trou noir se cache ce qui est connu comme une singularité espace-temps. Tout objet venant trop près sera tiré au centre du trou noir sans aucune chance de s'échapper à nouveau, et il subira d'énormes forces gravitationnelles qui le déchireront.
"Lorsque nous modélisons ces conditions extrêmes sur ordinateur, nous constatons que les trous noirs veulent dévorer et déchirer la grille numérique de points que nous utilisons pour approximer les trous noirs", dit Bruegmann. "Un seul trou noir est déjà difficile à modéliser, mais deux trous noirs dans les étapes finales de leur inspiration sont beaucoup plus difficiles en raison de la dynamique hautement non linéaire de la théorie d'Einstein." Les simulations informatiques de binaires de trous noirs ont tendance à devenir instables et à planter après un temps fini, qui était auparavant beaucoup plus court que le temps requis pour une orbite.
"La technique que nous avons développée est basée sur une grille qui se déplace avec les trous noirs, minimisant leur mouvement et leur distorsion, et nous accordant suffisamment de temps pour qu'ils effectuent une orbite en spirale les uns autour des autres avant que la simulation informatique ne se bloque", explique Bruegmann. Il propose une analogie pour illustrer la stratégie de la «grille co-mobile»: «Si vous vous tenez à l'extérieur d'un carrousel et que vous voulez regarder une personne, vous devez continuer à bouger la tête pour continuer à le regarder pendant qu'il tourne. Mais si vous vous tenez sur le carrousel, vous devez regarder dans une seule direction car cette personne ne bouge plus par rapport à vous, bien que vous tourniez tous les deux en rond. »
La construction d'une grille co-mobile est une innovation importante du travail de Bruegmann. Bien qu'il ne s'agisse pas d'une idée nouvelle pour les physiciens, il est difficile de la faire fonctionner avec deux trous noirs. Les chercheurs ont également ajouté un mécanisme de rétroaction pour effectuer des ajustements dynamiques à mesure que les trous noirs évoluent. Le résultat est un schéma élaboré qui fonctionne réellement pour deux trous noirs pendant environ une orbite du mouvement en spirale.
«Bien que la modélisation des interactions des trous noirs et des ondes gravitationnelles soit un projet très difficile, le résultat du professeur Bruegmann donne une bonne idée de la façon dont nous pourrons enfin réussir dans cet effort de simulation», explique Richard Matzner, professeur à l'Université du Texas à Austin et chercheur principal de l'ancienne Binary Black Hole Grand Challenge Alliance de la National Science Foundation qui a jeté les bases de la relativité numérique dans les années 90.
Abhay Ashtekar, professeur Eberly de physique et directeur de l'Institut de physique et de géométrie gravitationnelles, ajoute: «La récente simulation du groupe du professeur Bruegmann est un point de repère car elle ouvre la porte à l'analyse numérique d'une variété de collisions de trous noirs parmi lesquelles les événements les plus intéressants pour l'astronomie des ondes gravitationnelles. »
Cette recherche a été financée par des subventions de la National Science Foundation, dont une au Frontier Center for Gravitational Wave Physics créé par la National Science Foundation au Penn State Institute for Gravitational Physics and Geometry.
Source d'origine: communiqué de presse de Penn State
