Les trous noirs peuvent vibrer en émettant des ondes gravitationnelles avec un spectre caractéristique comme des atomes émettant de la lumière à la suite d’un choc. Ce spectre des trous noirs est caractérisé par ce que l’on appelle des modes quasi-normaux, que l’on sait calculer. On observe de mieux en mieux et de plus en plus des indices de leur présence dans les signaux détectés par Ligo et Virgo comme le montre un article récent.
On pense parfois à tort que les trous noirs sont définis par l’existence en leur cœur d’une singularité de l’espace-temps, que l’on peut considérer grossièrement comme un point où la courbure de l’espace-temps et la densité de la matière deviennent infinies. En fait, ce qui définit rigoureusement un trou noir, c’est l’existence d’un horizon des événements, c’est-à-dire d’une surface délimitant une région fermée qui se comporte comme une membrane que l’on ne peut traverser que dans un seul sens. Pour en sortir, il faudrait pouvoir dépasser la vitesse de la lumière.
Bien des conclusions sur l’existence et les propriétés des trous noirs pourraient changer avec un traitement quantique de la théorie de la gravitation et pas simplement en utilisant uniquement les équations classiques de la théorie de la relativité générale d’Einstein. On pourrait aussi aboutir à des conclusions différentes s’il s’avérait que la bonne théorie relativiste de la gravitation n’est pas celle d’Einstein, qui serait une approximation d’une théorie différente comme la théorie de Newton l’est par rapport à la relativité générale, par exemple la théorie de la relativité intriquée.
Les trous noirs n’ont pas de « cheveux »
Il est toutefois vrai que la théorie mathématique des trous noirs basée sur la théorie de la gravitation d’Einstein implique que les trous noirs doivent être décrits exactement par des espaces-temps rigoureusement caractérisés par la masse et le moment cinétique d’un trou noir de Kerr en rotation, et que ces trous noirs contiennent des singularités.
Cette même théorie mathématique insiste bien sur le fait que l’espace-temps des trous noirs doit être totalement décrit par ces deux nombres, ce qui n’est pas le cas pour un corps céleste comme la Terre ou le Soleil qui ont des champs de gravitation complexes et décrits par plusieurs paramètres (techniquement, il faut faire intervenir ce que l’on appelle des développements multipolaires). Si on veut une analogie, l’espace-temps d’un trou noir est « lisse » comme le serait une sphère parfaite, alors que celui de la Terre est une sphère profondément cabossée et donc il faut disposer de beaucoup d’informations pour en décrire la forme.
Le fait que les trous noirs de la relativité générale soient nécessairement lisses a été exprimé sous la forme d’un théorème que l’on a appelé le théorème de la calvitie (no hair theorem, en anglais).
Toutefois, l’horizon des trous noirs peut vibrer, notamment lorsqu’ils entrent en collision avec un autre corps, astéroïde, petite planète ou bien sûr un autre trou noir. Il se produit alors une émission d’ondes gravitationnelles avec un spectre qui n’est pas sans rappeler celui du son émis par une cloche que l’on frappe et qui va vibrer avec des oscillations qui vont s’amortir au fur et à mesure que le son emporte l’énergie des vibrations de la cloche. Comme Futura l’expliquait dans le précédent article ci-dessous, dans les deux cas on parle de modes quasi-normaux pour décrire le spectre des deux types d’objets.
Dans le cas des trous noirs, ces modes quasi-normaux sont rigoureusement déterminés et calculables, et ils doivent respecter le théorème de la calvitie en ne dépendant pour leurs valeurs que de la masse et du moment cinétique de rotation du trou noir qui vibre.
Un test des théories de la gravitation
En compagnie de l’astrophysicien Olivier Minazzoli, membre de la collaboration Virgo détectant les ondes gravitationnelles des collisions de trous noirs stellaires et d’étoiles à neutrons, travaillant à l’Observatoire de la Côte d’Azur (OCA), nous avions parlé du fait que les modes quasi-normaux commençaient à pointer leur nez dans les signaux captés par les détecteurs comme Ligo aux États-Unis et Virgo en Europe.
Or, ces modes quasi-normaux sont une attestation de la présence des vibrations de l’horizon des trous noirs, donc une preuve convaincante de leur existence et aussi un test de la théorie de la gravitation décrivant vraiment ces objets.
On est donc particulièrement intéressé aujourd’hui par une publication dans Physical Review Letters, que l’on peut trouver en accès libre sur arXiv et qui provient d’une équipe internationale de chercheurs, dont le professeur Badri Krishnan de l’université Radboud. Un communiqué de l’université indique que ces astrophysiciens auraient vérifié le théorème de la calvitie en détectant un nouveau mode quasi-normal, précisément prédit par la théorie standard des trous noirs.
La découverte a été faite en analysant d’une autre façon une célèbre source d’ondes gravitationnelles détectée par Ligo et Virgo en mai 2019 : GW190521. Et comme l’explique aussi le communiqué, ce fut une surprise pour les chercheurs qui pensaient qu’il faudrait attendre la création de détecteurs d’ondes plus sensibles, à l’horizon du milieu des années 2030 pour voir ce nouveau mode.
Badri Krishnan commente cette découverte inattendue en ces termes : « Il y a plus de 20 ans, nous avions proposé de telles observations comme moyen de tester la nature des trous noirs. À l’époque, nous ne pensions pas que les détecteurs Ligo et Virgo actuels seraient capables d’observer plusieurs modes. Ces résultats sont donc particulièrement gratifiants pour moi. Jusqu’à présent, nous n’avons trouvé aucun écart par rapport aux prédictions de la relativité générale et Einstein continue d’avoir raison. Notre analyse montre que les fréquences et les temps d’amortissement des modes quasi-normaux sont cohérents avec les prédictions de la relativité générale. »