Les ondes gravitationnelles ont été prédites et décrites théoriquement par Albert Einstein de 1916 à 1918 par analogie avec l’émission et la propagation des ondes lumineuses dans un champ électromagnétique lorsque l’on agite une charge.Ce sont des ondes se propageant dans le tissu élastique de l’espace-temps dont les déformations et la courbure sont gouvernées par les équations de la relativité générale. Elles se propagent à la vitesse de la lumière en transportant de l’énergie. On peut les comparer à des déformations due à la propagation des ondes à la surface de l’eau lorsqu’on y jette un caillou.
Un phénomène similaire devrait se produire dans le champ de gravitation constitué par la courbure de l’espace-temps lorsque certaines configurations de masses sont animées de certains mouvements. Tout comme les ondes électromagnétiques, les ondes gravitationnelles transportent de l’énergie, de la quantité de mouvement et du moment cinétique.
On a commencé à penser sérieusement à partir des années 1960 qu’il devait être possible de développer une astronomie gravitationnelle prometteuse car les ondes gravitationnelles sont très pénétrantes et elles peuvent nous renseigner sur des phénomènes astrophysiques extrêmes que l’on trouve associés à des astres compacts comme les étoiles à neutrons et les trous noirs mais aussi le Big Bang.
Les projets Ligo et Virgo
La découverte en 1974 d’un premier pulsar binaire par Russell Hulse et Joseph Taylor (prix Nobel 1993) a permis de démontrer indirectement l’existence de ces ondes mais il restait à construire des instruments capables de les détecter directement. C’est ainsi que sont nés les projets d’interféromètre Ligo, aux États-Unis, et Virgo en Europe.
Les signaux reçus des deux interféromètres sont encore peu nombreux, faibles et difficiles à interpréter . Par contre ils font apparaître un phénomène que ne soupçonnaient pas initialement les physiciens et qui a été nommé mémoire gravitationnelle.
Ce terme signifie que les particules qui vibrent dans les ondes gravitationnelles ne retournent jamais à leur position de départ. Elles se trouvent très faiblement déplacées et d’une façon continue. Ceci est attribué au fait que l’espace temps qui conjugue les trois dimensions de l’espace et la dimension du temps est en permanence allongé dans ces trois dimensions et rétréci dans la dimension du temps, le tout du fait de l’onde gravitationnelle .
Ces dernières années les cosmologistes David Garfinkle de l’Université d’Oakland et Andrew Strominger à Harvard ont décidé de mettre cette mémoire en évidence. En cas de succès, selon eux, les conséquences scientifiques de cette découverte seraient considérables. La mémoire gravitationnelle en résultant ferait apparaire une symétrie jusqu’ici cachée qui imprégnerait l’ensemble de l’univers. De plus la théorie de la gravité quantique censée faire la synthèse entre la Relativité générale d’Einstein et la mécanique quantique, y trouverait des bases solides.
Rappelons que la gravité quantique est une branche de la physique théorique tentant d’unifier la mécanique quantique et la relativité générale. Une telle théorie permettrait notamment de comprendre les phénomènes impliquant de grandes quantités de matière ou d’énergie sur de petites dimensions spatiales, tels que les trous noirs ou l’origine de l’Univers.
L’approche générale utilisée pour obtenir une théorie de la gravité quantique est d’examiner les symétries et indices permettant de combiner la mécanique quantique et la relativité générale en une théorie globale unifiée.
Pour en savoir plus
[Submitted on 10 May 2022 (v1), last revised 22 Feb 2023 (this version, v2)]
Black-hole ringdown as a probe of higher-curvature gravity theories
Hector O. Silva, Abhirup Ghosh, Alessandra Buonanno[
Submitted on 10 May 2022 (v1), last revised 22 Feb 2023 (this version, v2)]
Detecting gravitational waves from coalescing compact binaries allows us to explore the dynamical, nonlinear regime of general relativity and constrain modifications to it. Some of the gravitational-wave events observed by the LIGO-Virgo Collaboration have sufficiently high signal-to-noise ratio in the merger, allowing us to probe the relaxation of the remnant black hole to its final, stationary state – the so-called black-hole ringdown, which is characterized by a set of quasinormal modes. Can we use the ringdown to constrain deviations from general relativity, as predicted by several of its contenders? Here, we address this question by using an inspiral-merger-ringdown waveform model in the effective-one-body formalism, augmented with a parametrization of the ringdown based on an expansion in the final black hole’s spin. We give a prescription on how to include in this waveform model, the quasinormal mode frequencies calculated on a theory-by-theory basis. In particular, we focus on theories that modify general relativity by higher-order curvature corrections, namely, Einstein-dilaton-Gauss-Bonnet (EdGB), dynamical Chern-Simons (dCS) theories, and cubic- and quartic-order effective-field-theories (EFT) of general relativity. We use this parametrized waveform model to measure the ringdown properties of the two loudest ringdown signals observed so far, GW150914 and GW200129. We find that while EdGB theory cannot be constrained with these events, we can place upper bounds on the fundamental lengthscale of cubic- (ℓcEFT⩽38.2 km) and quartic-order (ℓqEFT⩽51.3 km) EFTs of general relativity, and of dCS gravity (ℓdCS⩽38.7 km). The latter result is a concrete example of a theory presently unconstrained by inspiral-only analyses which, however, can be constrained by merger-ringdown studies with current gravitational-wave data.
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