Il y a un peu plus de 110 ans, Albert Einstein rendait publique la forme finale de sa théorie de la relativité générale. Dans les années qui suivirent, il commença à explorer l'idée que le tissu élastique de l'espace-temps courbe de sa théorie permettait l'existence d'ondes gravitationnelles. Des décennies plus tard, des chercheurs tels que Kip Thorne, Thibault Damour et Alain Brillet ont contribué fortement à faire naître l'astronomie gravitationnelle qui, comme l'astronomie avec des ondes électromagnétiques, permet de découvrir les propriétés des astres et de tester de nouvelles théories physiques.

On peut, en particulier avec des ondes gravitationnelles, tester la théorie des trous noirs et des extensions de la théorie de la relativité générale. On en voit un nouvel exemple avec un article publié dans la célèbre revue Nature et dont une version existe en accès libre sur arXiv, qui fait état d'une découverte faite en étudiant la forme des ondes gravitationnelles de la source GW250114 (GW pour gravitational wave, onde gravitationnelle en anglais, et 250114 pour la date de l'observation, le 14 janvier 2025).

Dans le cas présent, c'est la mise en évidence, juste au-dessus de l'horizon des événements des trous noirs de Kerr en rotation de l'effet Lense-Thirring (frame-dragging en anglais), un phénomène prédit par la théorie de la relativité générale et qui, en fait, est détectable autour d'objets en rotation et pas seulement autour des trous noirs de Kerr.

Des astronomes de la collaboration Ligo-Virgo-Kagra ont détecté l'ultime information accessible lors de la collision de deux trous noirs, juste avant que l'objet résultant ne franchisse l'horizon des événements pour disparaître à jamais. Neil Lu, doctorant, et le Dr Ling (Lilli) Sun, chercheuse principale au sein de l'antenne d'OzGrav à l'ANU, présentent leurs récentes découvertes et expliquent comment ils sont parvenus à décoder un signal d'ondes gravitationnelles pour enfin extraire cette information de l'horizon des événements. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © OzGrav ARC Centre of ExcellenceOzGrav ARC Centre of Excellence

Dans la vidéo ci-dessus, on peut voir Neil Lu, doctorant du Centre d'excellence de l'ARC pour la découverte des ondes gravitationnelles (OzGrav) et de l'Université nationale australienne, auteur de l'article ci-dessous paru dans The Conversation et que nous reprenons.

Les trous noirs comptent parmi les objets les plus mystérieux de l'Univers, mais ils ne sont pas toujours silencieux. Lorsque deux trous noirs sont suffisamment proches l'un de l'autre, ils spiralent l'un vers l'autre pour finalement entrer en collision dans une explosion colossale, fusionnant pour former un trou noir unique et plus massif.

Au cours de ce processus, ils émettent des ondes gravitationnelles - des ondulations du tissu de l'espace-temps qui nous parviennent ici sur Terre. Ces ondes modifient la distance entre votre nez et votre oreille, mais dans une mesure bien inférieure à la taille d'un seul atome !

Nous sommes capables de les détecter grâce à d'immenses détecteurs sophistiqués, tels que le LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) aux États-Unis.

La fusion de trous noirs la plus « bruyante » jamais enregistrée a été détectée l'année dernière. Connue sous le nom de GW250114, cette collision cataclysmique a permis d'observer avec une clarté exceptionnelle le trou noir nouvellement formé, révélant des signatures subtiles liées à son horizon des événements.

En étudiant GW250114, mes collègues et moi avons décodé une partie du signal jusqu'alors cachée : l'onde dite « directe ». Celle-ci révèle comment les trous noirs en rotation entraînent l'espace-temps lui-même dans leur mouvement. Nos recherches sont publiées aujourd'hui dans la revue Nature.

L'entraînement du référentiel (frame dragging)

Les ondes gravitationnelles transportent des informations provenant de la région située juste à l'extérieur de l'horizon des événements du trou noir nouvellement formé. Il s'agit d'une frontière au-delà de laquelle rien, pas même la lumière, ne peut s'échapper.

Selon la théorie de la relativité générale d'Einstein, des phénomènes étranges se produisent dans cette région. La théorie prédit qu'un trou noir en rotation ne reste pas simplement immobile dans l'espace. Il provoque un phénomène appelé « entraînement du référentiel » (frame dragging), par lequel l'espace-temps entourant le trou noir est entraîné dans sa rotation.

À proximité immédiate de l'horizon, il est impossible pour quoi que ce soit de rester immobile. C'est comparable à un tourbillon : tout objet s'approchant trop près est contraint de tourner avec l'eau. Autour d'un trou noir en rotation, ce n'est pas de l'eau qui est entraînée, mais l'espace-temps lui-même.

Les ondes directes

L'onde directe est un rayonnement gravitationnel provenant de la zone située juste à l'extérieur de l'horizon des événements, là où tout ce qui tombe dans le trou noir subit cet entraînement de l'espace-temps.

L'horizon des événements d'un trou noir n'est pas une surface physique, comme celle d'une planète ou d'une étoile. Il s'agit d'une frontière au sein de l'espace-temps. Cependant, la relativité générale prédit que cette frontière possède des propriétés mesurables, notamment sa vitesse de rotation et l'intensité de la gravité en ce point.

GW250114 a été la collision de trous noirs la plus « bruyante » jamais détectée. © Collaboration LVK, Wikimedia, CC BY

L'existence de l'onde directe est prédite par la théorie, mais elle n'avait jamais été détectée jusqu'à présent. Cette onde nous permet d'étudier la vitesse de rotation du nouveau trou noir, ainsi que l'intensité de la gravité à la surface de l'horizon des événements.

L'événement GW250114 a offert une occasion idéale de rechercher ce phénomène en raison de son signal particulièrement puissant. Toutefois, la composante correspondant à l'onde directe est noyée parmi d'autres ondes générées par les deux trous noirs initiaux alors qu'ils tourbillonnaient l'un vers l'autre avant d'entrer en collision. Nos travaux ont donc nécessité de nouvelles techniques pour la mettre en évidence, en isolant soigneusement cette caractéristique des parties les plus intenses du signal d'ondes gravitationnelles.

Un signal provenant des limites de nos connaissances

La détection de l'onde directe ouvre une nouvelle source d'informations sur les trous noirs et leurs horizons des événements.

Depuis des décennies, l'horizon des événements occupe une place centrale en physique théorique, mais il est difficile d'obtenir des informations directes provenant de ses abords immédiats. Il est ardu d'observer la lumière s'approchant aussi près d'un trou noir ; les ondes gravitationnelles constituent donc notre seul moyen d'accès. Or, les ondes directes représentent précisément la partie du signal qui nous rapproche le plus de l'horizon.

Nos travaux ouvrent également la voie à de futurs tests de la théorie de la relativité générale d'Einstein. Si cette théorie est exacte, les ondes directes, la rotation de l'horizon et la gravité de surface devraient s'articuler de manière précise.

Les trous noirs se situent à la frontière de nos connaissances actuelles. Nous disposons de deux grandes théories physiques : la relativité générale, qui décrit la gravité et l'espace-temps à grande échelle, et la mécanique quantique, qui décrit la matière et l'énergie aux échelles les plus infimes.

Ces deux théories connaissent un succès extraordinaire et sous-tendent des technologies telles que le GPS, les semi-conducteurs, les lasers et les ordinateurs quantiques en plein essor. Pourtant, à un niveau fondamental, elles ne sont pas totalement compatibles.

Les trous noirs constituent l'un des lieux où ce conflit pourrait se manifester. Près de l'horizon des événements, la gravité est extrême, et les questions relatives à l'espace-temps, à l'information et à la physique quantique deviennent incontournables. En étudiant les trous noirs grâce aux ondes gravitationnelles, les scientifiques pourraient découvrir des failles dans nos théories actuelles et trouver des indices menant à une théorie plus approfondie.