On a peine à le croire, mais cela fait déjà 10 ans que l'on a fait la première découverte d'une source d'ondes gravitationnelles. Baptisée GW150914 (GW pour gravitational wave, onde gravitationnelle en anglais, et 150914 pour la date de l'observation, le 14 septembre 2015), elle avait frappé la Terre le 14 septembre 2015 ouvrant une nouvelle ère en astronomie.

Elle correspondait à la première détection directe sur Terre d'ondes gravitationnelles produites par une collision suivie d'une fusion de deux trous noirs stellaires. Une partie de la masse totale des deux objets (chacun contenait environ 30 fois la masse du Soleil) avait été convertie en ondes gravitationnelles ayant dégagé en moins d'une seconde 50 fois plus d'énergie que toutes les étoiles de l'Univers observable.

Fût-elle sous forme électromagnétique, GW150914 aurait paru dans notre ciel plus lumineuse que la Pleine Lune, bien que cette source soit distante de 1,3 milliard d'années-lumière environ.

C'est une nouvelle source, bien que similaire, qui est aujourd'hui à répétition sur le devant de la scène et qui a tout dernièrement conduit à une publication, dont une version en accès libre se trouve sur arXiv.

Dans cette vidéo, plusieurs des membres importants de la collaboration Ligo, qui regroupe des chercheurs du Caltech et du MIT, nous parlent de la découverte des ondes gravitationnelles. On peut voir notamment Kip Thorne, le théoricien, et Rainer Weiss, l'expérimentateur, à l'origine de Ligo. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En cliquant ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « français », puis cliquez sur « OK ». © caltech, YouTube

La source en question a été détectée en 2025, il s'agit encore du produit d'une collision de deux trous noirs contenant chacun quelques dizaines de masses solaires et elle est appelée GW250114.

Ce qui intéresse les astrophysiciens relativistes et les théoriciens de la physique avec cette source, c'est qu'elle a finalement permis d'aller encore plus loin dans les tests, non seulement de la théorie de la relativité générale d'Einstein, mais aussi dans celle des trous noirs qui en est déduite et dont on peut voir notamment les développements dans un monumental ouvrage du prix Nobel de physique indien Subramanyan Chandrasekhar.

Il existe plusieurs alternatives à la théorie relativiste de la gravitation d'Einstein, l'une des dernières en date étant celle de la relativité intriquée. Quelle que soit la bonne théorie, on a défini l'existence d'un trou noir par l'existence d'une surface frontière fermée entourant une région dont on ne peut pas sortir, car le champ de gravitation y est si fort que même la lumière en est incapable. Cette surface se comporte comme une membrane que l'on ne peut franchir que dans un seul sens donc et qui a été baptisée l'horizon des événements d'un trou noir. 

Une spectroscopie gravitationnelle

Le terme de membrane n'a pas été choisi au hasard. En effet, selon la théorie relativiste des trous noirs, lors de la fusion de deux trous noirs, l'objet produit n'est pas encore sous sa forme stable, son horizon est déformé et vibre comme le ferait la surface d'une cloche frappée.

Pour rejoindre sa forme stable, à savoir celle décrite par la solution de Kerr des équations d'Einstein pour un trou noir en rotation, l'horizon doit émettre des ondes gravitationnelles qui contiennent des harmoniques fondamentales (des « tones » en anglais) et leurs multiples par des nombres entiers (des « overtones » en anglais). Mathématiquement, dans le jargon des physiciens, on a en quelque sorte dans la décomposition de Fourier du spectre des ondes des facteurs exp (-at) d'amortissement de l'amplitude des ondes avec des termes harmoniques de la forme exp (ibt).

Il se trouve que l'existence d'un vrai trou noir, décrit par la solution de Kerr, prédit les facteurs et les constantes précédents. Ils dépendent certes de la masse et du moment cinétique décrivant la rotation du trou noir perturbé avec des vibrations s'amortissant, mais ils sont caractéristiques de la présence de ce type de trou noir. 

Comme l'explique maintenant un communiqué de l'Université Cornell (États-Unis), les physiciens ont réussi à mesurer deux harmoniques fondamentales et à contraindre l'existence d'une troisième. Ils ont donc progressé dans la détermination de l'équivalent de la signature spectrale de la lumière des atomes qui, avec plusieurs raies, se comporte comme une sorte de code-barres pour les éléments chimiques.

Les ondes gravitationnelles de l'horizon d'un trou noir nouvellement formées se comportent donc elles aussi comme si elles constituaient un code-barres cosmique permettant d'identifier un trou noir et la théorie relativiste qui le gouverne.

La théorie d'Einstein et sa théorie des trous noirs en sortent très renforcées car non seulement on a bien deux des harmoniques fondamentales prédites, mais les masses et les moments cinétiques déduits de chaque harmoniques coïncident pour le nouveau trou noir formé !

Pour mieux comprendre le nouveau résultat aujourd'hui publié, il faut en passer par une présentation plus technique et détaillée de ce qui se cache derrière les résultats concernant le spectre du rayonnement des ondes gravitationnelles en rapport avec l'horizon des événements dans le signal de GW250114.

Tullio Regge (1931-2014) est un physicien théoricien italien. On lui doit des travaux importants en physique des particules élémentaires (pôles de Regge) et en relativité générale. Il a été l'un des pionniers d’une approche quantique de la gravitation (calcul de Regge), qui se retrouvera plus tard en relation avec la théorie de la gravitation quantique à boucles. Avec John Wheeler, il a posé les bases de la théorie des perturbations des trous noirs de Schwarzschild qui mènera à la découverte de leurs modes quasi-normaux. © Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

Des trous noirs qui vibrent quand ils entrent en collision

Les physiciens et mathématiciens relativistes définissent donc les trous noirs uniquement comme des objets occupant une région fermée de l'espace-temps dont rien ne peut sortir du fait du caractère fini de la vitesse de la lumière : l'horizon des événements. C'est la présence d'un tel horizon, et rien d'autre, qui définit un trou noir, pas même la présence d'une singularité avec densité et courbure infinie de l'espace-temps en son centre qui est, de plus, douteuse à cause des effets quantiques.

Ils ont montré à partir de cette définition qu'il n'existe alors qu'une famille de solutions nécessairement rigoureusement exactes des équations d'Einstein décrivant un trou noir. Cette famille dépend uniquement de la masse, du moment cinétique et, éventuellement, des charges électriques, voire magnétiques des particules absorbées, et de rien d'autre. C'est le théorème de l'unicité des trous noirs, plus souvent connu sous le nom de théorème de la calvitie pour les trous noirs, en anglais le célèbre « no-hair theorem ».

Concrètement, dans le royaume de l'astrophysique où les étoiles tournent toutes et où l'on s'attend naturellement à la formation de trous noirs, les plus simples sont sans rotation et possèdent uniquement une masse, les trous noirs de Schwarzschild ; et les plus réalistes sont aussi en rotation, les trous noirs de Kerr.

En théorie, ils ne gardent pas la mémoire des caractéristiques distinctes d'objets de même masse et de même moment cinétique qui tomberaient dans ces régions particulières de l'espace-temps. Ils oublient en particulier des nombres quantiques normalement conservés, associés aux baryons et aux leptons - ce qui joue peut-être un rôle encore mystérieux dans la solution de l’énigme de l’absence d’antimatière en cosmologie.

La surface de l'horizon des événements d'un trou noir, de Schwarzschild ou de Kerr, est parfaitement lisse, sphérique (d'où le lien avec le terme de calvitie), mais elle se déforme temporairement en devenant bosselée lorsqu'un trou noir absorbe un objet, par exemple un astéroïde, ou lors d'une collision avec un autre trou noir.

Le travail le plus célèbre du physicien indien, C.V. Vishveshwara (1938-2017), est la découverte des modes quasi-normaux des trous noirs. En 1970, il a montré qu'un trou noir de Schwarzschild perturbé par une impulsion de rayonnement gravitationnel reprendra son état d'origine en émettant des ondes gravitationnelles d'une forme caractéristique déterminée par ce qui est appelé des modes quasi-normaux. Les fréquences (complexes) de ces modes quasi-normaux pour des trous noirs de Schwarzschild sont indépendantes de la forme de cette perturbation et sont entièrement caractérisées par la masse du trou noir. Plus tard, ce résultat a été généralisé au cas des trous noirs de Kerr en rotation. Les modes quasi-normaux sont alors des fonctions de la masse et du moment angulaire propre, le spin, du trou noir. L'observation des modes quasi-normaux est considérée comme un moyen d'établir l'existence des trous noirs. © International Centre for Theoretical Sciences, Bengaluru

Des modes quasi-normaux caractéristiques des trous noirs

Cette dernière situation est très intéressante car la collision et la fusion de deux trous noirs en forment un autre. Ce trou noir nouvellement formé, là non plus, n'a pas un horizon régulier des événements. Les équations d'Einstein sont alors formelles, cela ne peut durer et, très rapidement, la surface de l'horizon vibre comme le ferait une cloche sous l'effet d'un coup.

Il existe alors, ce que l'on appelle d'ailleurs dans les deux cas, des modes quasi-normaux pour ces vibrations qui vont s'amortir, sous l'effet de l'émission d'ondes gravitationnelles dans les premiers cas, et avec des émissions sonores pour une cloche. L'effet d'amortissement va faire prendre au trou noir, après une fusion, la forme exacte décrite par la fameuse métrique de Kerr pour un trou noir sans charges en rotation.

Comme ces modes quasi-normaux ont des fréquences déterminées par la théorie des trous noirs, fixées par la masse et le spin du trou noir final, faire leur découverte dans le spectre des ondes gravitationnelles est une preuve très convaincante de l'existence d'un horizon des événements et donc, de l'existence des trous noirs... mais à condition que les fréquences trouvées (d'autres astres compacts avec des modes quasi-normaux sans horizon des événements sont possibles) soient précisément celles déduites des solutions perturbées décrivant des trous noirs.

L'étude des modes quasi-normaux est un sujet de recherche important car des alternatives aux trous noirs, tels les gravastars, ont été proposées pour rendre compte des objets observés en astrophysique, comme Sgr A* et M 87*, qui semblent jusqu'à un certain point se comporter comme des trous noirs.

C'est précisément, en partie, pour tenter de mettre fin au débat quant à l'existence réelle des trous noirs que les projets de détecteurs d'ondes gravitationnelles que sont Ligo, Virgo et eLisa ont été conçus et lancés.