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.

 

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    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 équationséquations classiques de la théorie de la relativité généralerelativité générale d'EinsteinEinstein. 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 NewtonNewton 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 massemasse et le moment cinétiquemoment cinétique d'un trou noir de Kerrtrou 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 SoleilSoleil 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 analogieanalogie, 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 théorèmethéorème que l'on a appelé le théorème de la calvitie (no hair theorem, en anglais).

    Une vidéo de présentation de Virgo et de la chasse aux ondes gravitationnelles. © CNRS

    Toutefois, l'horizon des trous noirs peut vibrer, notamment lorsqu'ils entrent en collision avec un autre corps, astéroïdeastéroïde, petite planètepetite planète ou bien sûr un autre trou noir. Il se produit alors une émissionémission d'ondes gravitationnellesondes gravitationnelles avec un spectrespectre 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'énergieénergie des vibrationsvibrations 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 calvitiecalvitie 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'astrophysicienastrophysicien OlivierOlivier Minazzoli, membre de la collaboration VirgoVirgo détectant les ondes gravitationnelles des collisions de trous noirs stellairestrous noirs stellaires et d'étoiles à neutronsétoiles 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 neznez dans les signaux captés par les détecteurs comme LigoLigo 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 ...
    [Courte citation de 8% de l'article original]