Depuis qu'elles ont été observées pour la première fois en 2015, les ondes gravitationnelles ont permis aux scientifiques de détecter un grand nombre de trous noirs jamais vus auparavant et de déterminer certaines des propriétés globales des objets, telles que leurs masses et leurs distances par rapport à la Terre. Mais une paire de physiciens au Royaume-Uni estime qu'il devrait être possible de faire beaucoup mieux. Les chercheurs affirment dans un nouvel article que les ondes gravitationnelles pourraient nous expliquer en détail comment les trous noirs avalent les objets au fur et à mesure de leur croissance – et, ce faisant, aider à résoudre le paradoxe de l'information provoqué par le rayonnement de Hawking.
Les trous noirs sont connus pour dévorer tout objet qui traverse leurs horizons d'événements. En même temps, on pense qu'ils libèrent continuellement de l'énergie dans l'espace sous la forme de Rayonnement Hawking. Proposée par Stephen Hawking en 1974, cette émission est un rayonnement du corps noir qui fait rétrécir et finalement disparaître un trou noir. La seule caractéristique non aléatoire de ces photons qui fuient est leur énergie, qui est déterminée par la masse du trou noir. Cette émission conduit à un paradoxe - que le trou noir perdra toutes les informations qu'il contenait autrefois sur les objets qu'il a capturés, contredisant la non-destruction de l'information telle que stipulée par la mécanique quantique.
Les physiciens ont proposé de nombreuses solutions possibles à ce casse-tête, la plupart impliquant un codage subtil d'informations dans le rayonnement de Hawking. Mais Louis Hamaïde ainsi que le Théo Torres du King's College de Londres estiment que les ondes gravitationnelles peuvent offrir une issue plus naturelle. Ils ont découvert que presque toutes les informations sur tout objet aspiré dans un trou noir seraient récupérables en mesurant le rayonnement gravitationnel émis lorsque cet objet disparaît dans l'oubli.
Jusqu'à présent, les ondes gravitationnelles des trous noirs ont été détectées par les observatoires LIGO-Virgo. Il s'agit d'interféromètres laser de la taille d'un kilomètre qui détectent les signaux émis par des paires de trous noirs lorsqu'ils s'enroulent l'un sur l'autre puis fusionnent. Ces trous noirs sont si massifs que leur rayonnement gravitationnel est suffisamment puissant pour rester détectable après s'être propagé à des millions d'années-lumière jusqu'à la Terre.
Objet tombant
Dans leurs nouvelles recherches, Hamaide et Torres considèrent plutôt le rayonnement émis par de très petits objets tombant dans les trous noirs de Schwarzschild - ce sont des trous noirs qui ne tournent pas et n'ont pas de charge électrique. Les calculs du duo exploitent la théorie des perturbations, qui est essentiellement une correction des propriétés d'un trou noir par l'objet tombant. Cette approche donne une expression analytique exacte du rayonnement émis, contrairement aux simulations numériques et à l'ajustement de courbe nécessaires pour déterminer le comportement de deux corps de masses similaires.
En parcourant les équations, les chercheurs ont découvert que la signature laissée par un objet tombant est étonnamment simple. Alors que la masse du trou noir est liée à la fréquence des ondes gravitationnelles, la masse de l'objet capturé est plutôt encodée dans l'amplitude des ondes. Le moment de la capture est révélé par la phase du rayonnement, tandis que sa trajectoire peut être déterminée en observant l'émission à partir de plusieurs points de vue.
Hamaide soutient que ces données seraient beaucoup plus faciles à collecter et à interpréter que les informations "très dispersées" pouvant être obtenues à partir du rayonnement de Hawking. "Nous constatons que les informations arrivent dans de très beaux paquets", ajoute-t-il.
Cependant, d'autres chercheurs sont sceptiques quant à l'utilité de ces signatures d'ondes gravitationnelles. Robert Mann de l'Université de Waterloo au Canada soutient que ce qui importe n'est pas l'information sur les objets tombant dans un trou noir une fois qu'il s'est formé, mais plutôt la connaissance de ce qui a créé le trou noir en premier lieu. Il dit également que les auteurs font valoir qu'un trou noir est "fondamentalement un système quantique ouvert", mais note qu'ils effectuent très peu d'analyses quantiques ou même semi-classiques.
Déficit quantique
Hamaide et Torres reconnaissent que les signatures sont entièrement classiques alors que la description complète de l'objet serait de la mécanique quantique - se présentant sous la forme de sa fonction d'onde. Ils calculent que les informations classiques représenteraient bien plus de 99.9 % du total, mais soulignent que seulement 100 % suffiront lorsqu'il s'agira de résoudre complètement le paradoxe de l'information. En d'autres termes, disent-ils, quelle que soit la précision des mesures, leur analyse ne récupérera jamais toutes les informations d'un trou noir.
Ainsi, Vitor Cardoso de l'Université de Lisbonne au Portugal et de l'Institut Niels Bohr de Copenhague affirment qu'il ne serait pas possible de mesurer l'information classique dans tous les cas - étant donné que l'effondrement de la matière avec une symétrie sphérique complète ne générerait pas d'ondes gravitationnelles. Cardoso doute également que des mesures pratiques puissent être effectuées - étant donné ce qu'il dit serait le besoin de plusieurs détecteurs infiniment sensibles entourant la source.
Jorge Pullín de la Louisiana State University aux États-Unis est également sceptique quant à l'utilité pratique des derniers travaux, tout en louant les « points intéressants sur la recherche d'informations » des auteurs. Il note que les observations actuelles des ondes gravitationnelles ont du mal à résoudre la masse et le spin des objets en collision (y compris le signe de ce dernier). "Cela ne devrait pas trop changer dans un avenir proche", ajoute-t-il.
Hamaide reconnaît que les minuscules signaux du système pertubatif qu'ils ont envisagé ne pourraient être captés par aucun détecteur existant ou prévu. Pourtant, il soutient qu'il y a un aspect de leur travail qui devrait réconforter les astrophysiciens d'aujourd'hui. C'est le fait qu'il exclut la possibilité théorique (connue sous le nom de dégénérescence) qu'à mesure que les détecteurs d'ondes gravitationnelles deviennent plus sensibles, il deviendra plus (et non moins) difficile de se concentrer sur des valeurs spécifiques pour les masses des trous noirs et d'autres propriétés. "Cela n'arrivera pas", dit-il.
La recherche est décrite dans Gravité classique et quantique.
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- La source: https://physicsworld.com/a/gravitational-waves-could-reveal-hidden-histories-of-black-holes/
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