Les ondes gravitationnelles sont des “ondulations” de l’espace-temps causées par certains des processus les plus violents et les plus énergiques de l’Univers. Albert Einstein a prédit l’existence des ondes gravitationnelles en 1916 dans sa théorie générale de la relativité. De nouvelles recherches montrent que ces ondes laissent derrière elles de nombreux “souvenirs” qui pourraient permettre de les détecter même après leur passage.
Les ondes gravitationnelles observées par les détecteurs jumeaux de l’observatoire LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ont été produites pendant la dernière fraction de seconde de la fusion de deux trous noirs pour produire un trou noir unique, plus massif, en rotation. Crédit image : T. Pyle / LIGO.
“Que les ondes gravitationnelles puissent laisser des changements permanents sur un détecteur après leur passage est l’une des prédictions plutôt inhabituelles de la relativité générale”, a déclaré Alexander Grant, candidat au doctorat au département de physique de l’université Cornell.
Les physiciens savent depuis longtemps que les ondes gravitationnelles laissent une mémoire sur les particules qui se trouvent sur leur chemin, et ont identifié cinq de ces mémoires.
Grant et ses collègues ont maintenant trouvé trois autres effets secondaires du passage d’une onde gravitationnelle, des “observables persistants d’ondes gravitationnelles” qui pourraient un jour aider à identifier les ondes qui traversent l’Univers.
“Chaque nouvel observable fournit différentes façons de confirmer la théorie de la relativité générale et offre un aperçu des propriétés intrinsèques des ondes gravitationnelles”, a déclaré Grant.
Ces propriétés pourraient aider à extraire des informations du fond diffus cosmologique, le rayonnement laissé par le Big Bang.
“Nous n’avions pas prévu la richesse et la diversité de ce qui pourrait être observé”, a déclaré le professeur Éanna Flanagan, également de l’université Cornell.
L’équipe a identifié trois observables qui montrent les effets des ondes gravitationnelles dans une région plate de l’espace-temps qui subit une explosion d’ondes gravitationnelles, après quoi elle redevient une région plate.
La première observable, la “déviation de la courbe”, est la mesure dans laquelle deux observateurs en accélération se séparent l’un de l’autre, par rapport à la manière dont des observateurs ayant les mêmes accélérations se sépareraient l’un de l’autre dans un espace plat non perturbé par une onde gravitationnelle.
Le second observable, l’holonomie, est obtenu en transportant l’information sur le moment linéaire et angulaire d’une particule le long de deux courbes différentes à travers les ondes gravitationnelles, et en comparant les deux résultats différents.
La troisième étudie comment les ondes gravitationnelles affectent le déplacement relatif de deux particules lorsque l’une d’entre elles a un spin intrinsèque.
Chacune de ces observables est définie par les physiciens d’une manière qui pourrait être mesurée par un détecteur.
“Les procédures de détection de la déviation de la courbe et des particules en rotation sont relativement simples à mettre en œuvre, ne nécessitant qu’un moyen de mesurer la séparation et pour les observateurs de suivre leurs accélérations respectives”, ont-ils déclaré.
“La détection de l’observable holonomie serait plus difficile, nécessitant deux observateurs pour mesurer la courbure locale de l’espace-temps (potentiellement en transportant eux-mêmes de petits détecteurs d’ondes gravitationnelles).”
“Compte tenu de la taille nécessaire à l’Observatoire d’ondes gravitationnelles à interféromètre laser de la NSF pour détecter ne serait-ce qu’une seule onde gravitationnelle, la capacité de détecter les observables holonomiques est hors de portée de la science actuelle.”
“Mais nous avons déjà vu beaucoup de choses passionnantes avec les ondes gravitationnelles, et nous en verrons beaucoup plus. Il y a même des plans pour mettre un détecteur d’ondes gravitationnelles dans l’espace qui serait sensible à des sources différentes de LIGO”, a déclaré Flanagan.
Les travaux de l’équipe ont été publiés dans le journal Physical Review D.
