Les trous noirs testent les limites de la relativité d'Einstein

La théorie de la relativité générale d'Einstein a remplacé la gravité de Newton. Maintenant, les observations d'ondes gravitationnelles de trous noirs pourraient repousser les limites du chef-d'œuvre d'Albert.

Par Jesse Emspak  | Publication: mercredi 5 septembre 2018

L'horizon des événements du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée apparaît sombre contre un maelström lumineux de gaz tourbillonnant et de matière infaillible. Les astronomes espèrent 
sonder les limites de la relativité générale en imaginant ce trou noir. 

Adolf Schaller pour l'astronomie

Le 11 février 2016, deux équipes de scientifiques ont annoncé la première observation des ondes gravitationnelles, un phénomène que la théorie générale de la relativité d'Albert Einstein avait prédit un siècle plus tôt. Les collaborations de l'Observatoire des ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser (LIGO) et de la Vierge avaient attiré des ondulations dans l'espace-temps lui-même: le sillage de deux trous noirs qui sont entrés en collision et ont fusionné à plus d'un milliard d'années-lumière.

Ce fut un triomphe pour la relativité générale. Mais pour les physiciens, ce n'était pas une fin; c'était un début. Les trous noirs - des objets si denses que même la lumière ne peut pas s'échapper - ont donné raison à Einstein. Maintenant, les scientifiques veulent les utiliser pour étirer la relativité à ses limites, et peut-être même la briser.

«Ce n'est pas que nous pensons que la relativité est mauvaise», explique Andrea Ghez, professeur de physique et d'astronomie à l'Université de Californie à Los Angeles et directeur du Galactic Center Group de l'UCLA. "C'est juste incomplet."

Les astronomes et les physiciens travaillent à sonder les trous noirs avec des radiotélescopes et des ondes gravitationnelles, ainsi qu'à suivre les mouvements des étoiles et d'autres matières autour des trous noirs pour voir s'ils suivent les règles établies par Einstein il y a un siècle.

La théorie générale de la relativité a réussi tous les tests que les physiciens ont imaginés jusqu'à présent. Il sous-tend notre compréhension de l'espace, du temps et de la gravité; Les satellites du Global Positioning System en tiennent même compte. Il a remplacé la conception d'Isaac Newton de la gravité comme une force qui agit instantanément à distance.

Alors que les mathématiques en relativité générale sont plus complexes que dans la gravité de Newton, ses principes de base peuvent être énoncés simplement. La relativité traite la gravité comme une courbure dans l'espace-temps. (L'espace-temps lui-même ajoute simplement le temps en tant que coordonnée aux trois coordonnées spatiales normales: longueur, largeur et hauteur.) Un objet plie le tissu de l'espace-temps, créant un «puits» gravitationnel à l'endroit où une planète, une étoile , le trou noir - ou tout ce qui a de la masse - réside.

Pendant ce temps, la lumière suit un chemin incurvé, se courbant autour des bords du puits. Un objet avec une masse suffisante peut se comporter comme une lentille, rendant les objets derrière lui visibles. Et la lumière qui sort d'un puits de gravité est étirée, devenant plus rouge lorsqu'elle monte. Le temps ralentit également à mesure que la gravité devient plus forte, de sorte que les horloges situées à proximité d'un trou noir, d'une étoile ou même de la surface de la Terre se déplaceront plus lentement que celles plus éloignées.

Le périhélie changeant de Mercure

Le périhélie de Mercure, le point de l'orbite de la planète où il se rapproche le plus du Soleil, précède près de 2 ° par siècle. Les lois de Newton expliquaient tout sauf 43 "de ce changement; la relativité générale a résolu le reste. L'avancée illustrée ici est exagérée pour montrer le détail. 

Astronomie: Roen Kelly

C'est complet?

Bien que la relativité ait réussi tous les tests avec brio, des lacunes existent qui ont conduit la recherche pendant des décennies. Un bon exemple est que la gravité d'Einstein ne semble pas correspondre à la mécanique quantique, même si les trois autres forces fondamentales de la nature le font. Chacune des trois autres forces est médiée par des particules: les photons portent la force électromagnétique, les gluons portent la force nucléaire forte et les bosons W et Z portent la force nucléaire faible. Mais personne n'a encore observé la particule correspondante qui devrait porter la force gravitationnelle - le graviton - bien que les théories actuelles disent qu'elle devrait exister.

Ghez dit que certains phénomènes ne correspondent pas tout à fait au paradigme d'Einstein. L'expansion universelle en est un. S'il est vrai que la relativité générale implique que les galaxies devraient se séparer, les raisons sous-jacentes pour lesquelles l'expansion cosmique semble s'accélérer sont encore controversées. «Est-ce parce que nous n'avons pas la bonne théorie pour décrire la gravité?», Demande-t-elle. «D'un point de vue d'observation, nous ne faisons que pousser les bords. Nous voulons une version plus complète de la gravité; il y a des preuves que cette version n'est pas assez bonne. "

Tim Johannsen, boursier postdoctoral à l'Université de Waterloo en Ontario, étudie la gravité dans des environnements extrêmes. Il convient que les trous noirs peuvent offrir un moyen de trouver les points de rupture de la relativité. "Il y a eu de nombreux tests expérimentaux de relativité générale, mais presque aucun d'entre eux n'a pour l'instant sondé le régime des champs forts à proximité immédiate d'un trou noir", dit-il.

Les premiers tests ont impliqué le champ beaucoup plus faible entourant le Soleil. Par exemple, le point dans l'orbite de Mercure où il se rapproche le plus du Soleil, appelé périhélie, avance d'environ 2 ° par siècle. La relativité explique la petite fraction, seulement 43 "par siècle, que les lois de Newton ne peuvent pas. Et les observations d'une éclipse solaire totale en 1919 ont trouvé une petite courbure de lumière par le champ gravitationnel du Soleil. Plus tard, les découvertes de la lentille gravitationnelle et des ondes gravitationnelles ont aidé confirmer le pouvoir de la relativité d'expliquer la nature. Il semblerait qu'Einstein soit en bonne forme, mais la question persistante est de savoir si sa théorie tiendra le coup dans des conditions plus extrêmes, ou montrera finalement son incomplétude comme l'a fait la théorie de Newton.

Pourtant, même en sachant que la relativité générale n'est peut-être pas le dernier mot, toute nouvelle théorie doit encore correspondre à tous les résultats antérieurs. «La barre monte plus haut», explique Nicholas Yunes, physicien à la Montana State University. "Quelle que soit la théorie de la gravité que vous décidez de concevoir, elle doit au moins prévoir les mêmes ondes gravitationnelles que [LIGO] a observées."

Les tailles des trous noirs

Le diamètre de l'horizon des événements d'un trou noir augmente en proportion directe de sa masse. Un trou noir avec 10 fois la masse du Soleil s'étendrait sur 60 km, tandis que celui du centre de la Voie lactée mesure 17 soleils. 

Astronomie: Roen Kelly

Forger un trou noir

Pour faire un trou noir, vous devez comprimer beaucoup de masse dans un très petit espace. La théorie d'Einstein dit que la masse n'est pas importante, mais les astronomes pensent que la nature fait des trous noirs de masse stellaire lorsque des étoiles massives meurent. Toutes les étoiles passent la majeure partie de leur vie à fusionner l'hydrogène en hélium dans leurs noyaux. L'énergie que cela produit crée une pression extérieure qui équilibre la traction vers l'intérieur de la gravité. Après qu'une étoile ait épuisé son noyau d'hydrogène, elle commence finalement à fusionner l'hélium en carbone.

Des étoiles plus massives peuvent puiser dans des carburants supplémentaires. En fin de compte, le silicium fusionne en fer et en nickel. Mais le processus s'arrête là car la fusion d'éléments plus lourds consomme plutôt qu'elle ne libère de l'énergie. L'étoile ne peut plus supporter son propre poids avec la pression de rayonnement de la fusion, elle s'effondre donc. L'implosion déclenche une onde de choc qui déchire l'étoile lors d'une violente explosion de supernova. Pour les étoiles qui commencent leur vie avec plus de 20 masses solaires, le noyau laissé derrière s'effondre à une densité infinie et devient une singularité. Un horizon d'événements se forme autour de la singularité et vous avez un trou noir.

L'horizon des événements - le point de non-retour - est étonnamment petit. Le trou noir au centre de la galaxie de la Voie lactée, connu sous le nom de Sagittaire A * (prononcé étoile A), contient environ 4 millions de fois la masse du Soleil, mais son horizon d'événements n'est que de 15 millions de miles (24 millions de kilomètres) de diamètre. Il rentrerait dans l'orbite de Mercure avec beaucoup d'espace à revendre. Un trou noir avec 10 fois la masse du Soleil aurait un horizon d'événements qui s'étend sur 60 km et s'insérerait à l'intérieur du Rhode Island. Et si la Terre était comprimée dans un trou noir, ce serait la taille d'un marbre. Le rayon de l'horizon des événements augmente en proportion directe avec la masse du trou noir, mais contrairement aux traitements hollywoodiens, les trous noirs n'aspirent pas la matière. Si un trou noir de la masse terrestre remplaçait notre planète, l'orbite de la Lune ne changerait pas.

La petite taille importe parce que le champ gravitationnel change radicalement à mesure que l'on se rapproche de l'horizon des événements. C'est pourquoi les trous noirs sont de si bonnes arènes pour tester la relativité. Les puits de gravité sont escarpés - une personne à 3 pieds (1 mètre) d'un trou noir de la masse terrestre ressentirait une force de plus de 40 billions de fois la gravité à la surface de la Terre. Au voisinage d'un trou noir, la flexion de la lumière est facile à repérer et les effets tels que la dilatation du temps et les écarts par rapport à la mécanique newtonienne sont suffisamment importants pour être observés facilement. Si la relativité cesse de fonctionner, c'est près d'un trou noir que nous verrons probablement cela se produire.

Les chemins précipités des étoiles

Pour retrouver certains de ces effets relativistes, l'équipe de recherche de Ghez utilise une méthode similaire à celle que les scientifiques ont utilisée pour analyser l'orbite de Mercure. Le Sagittaire A * est le trou noir supermassif le plus proche, et les astronomes peuvent résoudre des étoiles individuelles en orbite. Un en particulier, appelé S2, prend 16 ans pour terminer son orbite hautement elliptique. La masse du trou noir est la raison pour laquelle l'étoile va si vite. Au moment où il s'approche le plus du Sagittaire A * à la mi-2018, à une distance environ trois fois plus éloignée du trou noir que Pluton est du Soleil, il se déplacera entre 1 et 2% de la vitesse de la lumière .

Après des années d'observations, les données de 2018 fourniront aux chercheurs suffisamment d'informations pour mesurer avec précision les écarts par rapport aux lois de Newton en raison de la relativité générale, dit Ghez. Paradoxalement,
les effets relativistes sont si importants qu'ils rendent en fait plus difficile le calcul de la loi de Newton.

"Comment pouvez-vous vous convaincre que vous savez ce que Newton prédit?", Dit-elle. Jusqu'à présent, la théorie d'Einstein devrait montrer une différence par rapport à un calcul newtonien d'environ 120 miles par seconde (200 km / s). D'autres écarts par rapport à cela pourraient montrer que la théorie d'Einstein commence à s'effriter.

Les observations de l'équipe touchent également à un autre mystère, explique Ghez. Les étoiles proches du centre galactique devraient être relativement vieilles. Les nuages ​​de gaz et de poussière qui donneraient naissance à des étoiles ne devraient pas être stables si près d'un trou noir supermassif; les calculs basés sur la relativité montrent que les forces de marée devraient les perturber. Pourtant, les étoiles proches du centre biaisent les jeunes. À moins que quelqu'un ne puisse invoquer un mécanisme pour faire entrer rapidement ces jeunes d'une région extérieure, ils démontrent que les scientifiques doivent manquer quelque chose.

Les bras de 3 km de l'interféromètre Virgo sont nichés dans la campagne près de Pise, en Italie. Cet instrument fonctionne en tandem avec les deux interféromètres LIGO aux États-Unis. 

The Virgo Collaboration

Dans l'ombre,

Johannsen fait partie des astronomes qui adoptent une approche différente, utilisant le télescope Event Horizon (EHT) pour voir si la relativité se décompose dans «l'ombre» d'un trou noir.

L'EHT est une collection de radiotélescopes répartis dans le monde entier. En utilisant une technique appelée interférométrie à très longue ligne de base, les télescopes travaillent ensemble pour atteindre une résolution comparable à un instrument unique avec un diamètre presque aussi large que notre planète. Le réseau offre une résolution suffisante pour que les radioastronomes puissent observer les bords du Sagittaire A *, ainsi que le trou noir supermassif beaucoup plus grand qui se cache au centre de la galaxie elliptique géante M87 dans le groupe de la Vierge. Des disques d'accrétion de gaz et de poussière entourent les deux trous noirs. De tels disques ont tendance à se former autour des trous noirs parce que leurs fortes forces de marée déchirent tout objet trop proche. La friction à l'intérieur du disque chauffe le matériau à des millions de degrés avant qu'il ne tombe dans le trou, et le gaz brille fortement dans des longueurs d'onde allant des rayons X à la radio.

Étant donné que les trous noirs agissent comme des lentilles, l'équipe de Johannsen s'attend à voir un anneau de lumière parfait lorsque les photons de derrière le trou noir sont pliés autour de lui. (Bien que la plupart des chercheurs décrivent le vide sombre au centre de l'anneau comme une «ombre», il s'agit en réalité d'une silhouette du trou noir sur la lumière d'arrière-plan lumineuse.) Si cet anneau n'est pas un cercle parfait et montre des oscillations, alors un effet quantique peut se produire. Ce serait la première fois que quelqu'un verrait quelque chose de semblable autour d'un trou noir.

«La forme d'une ombre donnée est presque entièrement déterminée par la gravité seule et non par les particularités du gaz et de la poussière qui tourbillonnent autour du trou noir», explique Johannsen. "Par conséquent, la détection de l'ombre peut potentiellement être une mesure claire de la théorie sous-jacente de la gravité sans la plupart des complications qui accompagnent ces environnements en désordre."

La relativité générale dit que la forme de l'ombre devrait être presque circulaire avec une taille fixe. D'autres théories de la gravité posent d'autres formes. «Si nous trouvons l'une de ces déviations, il y a deux possibilités: soit la [relativité générale] n'est pas correcte dans le régime des champs forts, soit la [relativité générale] tient toujours mais l'objet n'est pas un trou noir mais un peu exotique. L'un ou l'autre serait tout à fait une sensation. "

Surfer sur les vagues

L'une des prédictions les plus célèbres de la relativité générale était peut-être les ondes gravitationnelles. (Alors que la théorie d'Einstein a donné aux ondes gravitationnelles une base mathématique solide, le concept n'était pas unique à lui: Henri Poincaré et Oliver Heaviside ont également flotté le concept.) Einstein a prédit que l'accélération d'objets massifs ferait onduler l'espace-temps. Les ondes résultantes se propageraient à la vitesse de la lumière et non à une vitesse infinie comme l'avait prédit la formulation de la gravité de Newton. En mars 2018, les astronomes des collaborations LIGO et Virgo ont collecté six fois des preuves sans équivoque d'ondes gravitationnelles.

LIGO et Virgo sont des interféromètres. Un laser est tiré sur un séparateur de faisceau qui envoie la lumière le long de deux bras perpendiculaires. Chacun des bras de LIGO mesure 2,5 km (4 km) de long, tandis que chaque bras de la Vierge s'étend sur 1,9 km (3 km). Les deux faisceaux rebondissent sur les miroirs à l'extrémité des bras et retournent au séparateur de faisceau, où ils se combinent en un seul faisceau avant de se diriger vers un photodétecteur. Si les deux faisceaux parcourent précisément la même distance avant de fusionner, ils s'annulent ou se renforcent mutuellement, et le photodétecteur ne captera rien, ou il verra une lumière aussi brillante que le faisceau d'origine.

Les deux détecteurs de LIGO et celui de Virgo sont conçus pour que les photodétecteurs n'enregistrent rien si les bras restent de la même longueur. Mais si les faisceaux parcourent une distance différente - comme on pourrait s'y attendre si les ondes gravitationnelles déformaient l'espace-temps - alors les photodétecteurs enregistreront un motif d'interférence, et le faisceau fusionné apparaîtra plus lumineux ou plus sombre que celui d'origine. Les interféromètres peuvent détecter des changements dans la longueur de leurs bras aussi petits que 1/10 000 de la largeur d'un proton.

La détection des ondes gravitationnelles ne signifie pas pour autant que la théorie d'Einstein puisse se reposer. À bien des égards, leur détection soulève autant de questions que de réponses. Quelques théoriciens ont commencé à pousser les observations pour voir si elles révèlent des indices sur une théorie quantique de la gravité, ou du moins sur certaines connexions qui ne violent pas la mécanique quantique.

À la fin de 2016, par exemple, le chercheur Jahed Abedi de l'Université de technologie de Sharif à Téhéran, avec Hannah Dykaar et Niayesh Afshordi de l'Université de Waterloo, a proposé que des «échos» dans le signal des ondes gravitationnelles pourraient indiquer qu'il y avait de minuscules structures près de les horizons d'événements des objets qui fusionnent, pointant vers la physique au-delà de la relativité générale. L'idée n'a pas été accueillie avec beaucoup d'enthousiasme par des collègues scientifiques. Dans une série d'articles de va-et-vient, les sceptiques ont déclaré qu'ils avaient des réserves sur la base théorique. La question suivante est de savoir si ces échos apparaîtront dans les futures observations.

Ce modèle généré par ordinateur montre «l'ombre» du trou noir de 4 millions de masse solaire au centre de la Voie lactée. Les astronomes espèrent comparer ces modèles avec des images du trou noir réalisées avec le télescope Event Horizon, afin de rechercher tout écart par rapport à la relativité générale.

Avery Broderick (Université de Waterloo / Perimeter Institute)

Une particule lourde

Les ondes gravitationnelles peuvent également révéler la physique au-delà de la relativité à d'autres égards, note Kent Yagi, astrophysicien théoricien à l'Université de Virginie. Une façon consiste simplement à contraindre des paramètres comme la masse du graviton. Si cette particule n'a pas de masse, les ondes gravitationnelles devraient se déplacer à la vitesse de la lumière, dit-il. Un graviton de masse signifie que les ondes gravitationnelles ne peuvent pas, par définition, aller aussi vite.

Si le graviton a une masse, il doit être assez petit. «Nous pouvons le limiter à pas plus de 10-20 eV [électron-volt] avec la première détection, mais au-delà, nous ne savons pas. C'est peut-être 10-23 eV », explique Yunes. (Un électron-volt est une mesure courante de l'énergie en physique des particules; les scientifiques l'utilisent souvent comme unité de masse en divisant l'énergie d'une particule par la vitesse de la lumière au carré, selon la célèbre équation d'Einstein, E = mc2.) Mais à un certain point , s'il n'y a pas de masse détectée, il faut se demander si elle est sans masse - ou même existe.

Pendant ce temps, d'autres scientifiques se sont efforcés de rechercher des effets quantiques à grande échelle en utilisant des combinaisons de trous noirs et d'étoiles à neutrons. Les étoiles à neutrons sont les cadavres d'étoiles nées avec plus d'environ huit fois la masse du Soleil, mais moins que les 20 masses solaires nécessaires pour faire des trous noirs. Ils ont des champs magnétiques puissants, et certains envoient des faisceaux focalisés d'ondes radio dans notre direction à intervalles réguliers comme une balise de phare - des pulsars.

John Estes de Long Island University et ses collègues ont proposé d'utiliser les signaux précisément synchronisés d'un pulsar en orbite autour d'un trou noir pour sonder la région proche de l'horizon des événements. Étant donné que les trous noirs courbent la lumière, le signal du pulsar serait retardé d'une quantité discrète lorsque le pulsar passe derrière le trou noir. Si les effets quantiques sont importants, alors ce retard changerait d'une manière que la relativité générale ne peut pas prédire, et pourrait même révéler quelque chose sur le fonctionnement de la mécanique quantique avec la relativité.

Mais il y a une autre raison de faire ce genre de tests. Il est loin d'être clair que la gravité - et donc la relativité générale - s'applique de la même manière à différentes échelles. Leo Stein de Caltech note que la physique que l'on rencontre près d'un trou noir supermassif, comme celle au centre de la Voie lactée, pourrait être différente de la physique près d'un trou noir de masse stellaire.

LIGO, par exemple, nous a montré que les ondes gravitationnelles sont générées de la manière attendue près d'un trou noir de masse stellaire. Cependant, la raideur de la courbure de l'espace juste à l'extérieur de l'horizon des événements est plus petite pour les trous noirs plus grands. «C'est une physique potentiellement très différente», dit Stein. «Lorsque les courbures sont importantes, vous devez utiliser LIGO. Lorsque vous êtes intéressé par la physique à l'échelle de millions de kilomètres, il y a des choses que vous pourriez tester avec l'EHT. Au milieu, il y a des choses que nous avons clouées à l'échelle du système solaire.

«Les cosmologistes souhaitent changer la théorie de la gravité à de très grandes échelles de distance», dit-il. «Les théoriciens des cordes et les physiciens des hautes énergies modifient la théorie de la gravité au niveau quantique.»

Comme pour de nombreux mystères, cependant, nous devrons peut-être attendre que les observations nous indiquent d'une manière ou d'une autre quelle théorie est correcte. «Le puzzle se termine une pièce à la fois», explique Yunes .

Source: http://www.astronomy.com
Lien: http://astronomy.com/magazine/news/2018/09/black-holes-test-the-limits-of-einsteins-relativity?utm_source=asyfb&utm_medium=social&utm_campaign=asyfb&fbclid=IwAR0PAn2xTXQSNJJoZCtRo6SmOqzGBdR0Lm_tHBp1F2MXUwf5zGzFqIpLrVk