Exploration de la possibilité de sonder les symétries fondamentales de l'espace-temps via la mémoire des ondes gravitationnelles

6 juillet 2024 caractéristique

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

Comme prédit par la théorie de la relativité générale, le passage des ondes gravitationnelles peut laisser un changement mesurable dans les positions relatives des objets. Ce phénomène physique, connu sous le nom de mémoire des ondes gravitationnelles, pourrait potentiellement être utilisé pour étudier à la fois les ondes gravitationnelles et l'espace-temps.

Des chercheurs du Gran Sasso Science Institute (GSSI) et de l'École Internationale des Études Avancées (SISSA) ont récemment réalisé une étude explorant la possibilité d'utiliser la mémoire des ondes gravitationnelles pour mesurer les symétries de l'espace-temps, des propriétés fondamentales de l'espace-temps qui restent les mêmes après des transformations spécifiques. Leur article, publié dans Physical Review Letters, suggère que ces symétries pourraient être explorées via l'observation de la mémoire de déplacement et de spin.

'Pendant longtemps, j'étais curieux du phénomène de la mémoire des ondes gravitationnelles et de la connexion de la physique des basses énergies associée avec la mécanique quantique,' a déclaré Boris Goncharov, co-auteur de l'article, à Phys.org. 'J'ai entendu parler pour la première fois du théorème du graviton mou de Weinberg par le Prof. Paul Lasky à l'Université Monash en Australie, pendant mon doctorat, en discutant de la mémoire des ondes gravitationnelles. Ensuite, j'ai appris l'existence du soi-disant 'Triangle Infrarouge' qui relie le théorème mou à la mémoire des ondes gravitationnelles et aux symétries de l'espace-temps à l'infini à partir des sources d'ondes gravitationnelles.'

Le théorème du graviton mou de Weinberg et le 'triangle infrarouge' sont des formulations mathématiques décrivant le même phénomène physique : la mémoire des ondes gravitationnelles. Dans le cadre de leur étude récente, Goncharov et ses collègues ont cherché à explorer la possibilité d'utiliser la mémoire des ondes gravitationnelles pour étudier les symétries de l'espace-temps.

'Ce phénomène joue un rôle dans une tentative en cours de décrire une théorie de la gravité d'Einstein, vieille de cent ans, insubmersible et pourtant incompatible avec le monde microscopique—la Relativité Générale—en tant que théorie quantique des champs à la limite asymptotique de l'espace-temps,' a déclaré Goncharov.

'Cette approche vers une unification en physique me semble substantielle et prometteuse ; je la trouve très excitante. Notre projet spécifique a émergé en discutant des nouvelles avancées dans ce domaine avec le Prof. Laura Donnay, une co-auteure de la publication.'

Lorsqu'ils ont examiné la littérature antérieure dans ce domaine, les chercheurs ont constaté qu'un nombre croissant de symétries de l'espace-temps distant étaient discutées, mais il n'était pas clair lesquelles de ces symétries et les termes de mémoire correspondants existent dans la nature. Bien que plusieurs physiciens aient exploré la possibilité de détecter la mémoire des ondes gravitationnelles, Goncharov et ses collègues n'étaient pas sûrs de la physique qui pourrait être contrainte en utilisant leurs mesures.

'L'idée que nous pouvions tester ces symétries de l'espace-temps était centrale dans notre étude,' a expliqué Goncharov. 'Un autre aspect est que moi et le Prof. Jan Harms sommes membres de la collaboration du Télescope Einstein, pour laquelle il était important d'étudier les perspectives d'observation de la mémoire des ondes gravitationnelles. Le Télescope Einstein est le détecteur d'ondes gravitationnelles européen de nouvelle génération prévu pour les années 2030.'

Jusqu'à présent, les chercheurs n'avaient pas encore introduit une approche conventionnelle pour mesurer les symétries de l'espace-temps via l'observation des effets de la mémoire des ondes gravitationnelles. Le récent article de Goncharov et ses collègues visait à combler cette lacune apparente dans la littérature.

'Il y avait beaucoup de travaux antérieurs importants se concentrant sur (a) prédire quand et avec quels instruments nous pourrions détecter divers termes de mémoire des ondes gravitationnelles, (b) comment calculer les effets de la mémoire des ondes gravitationnelles analytiquement ou en utilisant la relativité numérique, et (c) comment différents modèles de symétries de l'espace-temps produisent des termes de mémoire des ondes gravitationnelles,' a déclaré Goncharov. 'Cependant, une discussion des symétries de l'espace-temps basée sur les effets de mémoire observés semblait être une lacune dans la littérature.'

Le travail récent de ces chercheurs pourrait être considéré comme une preuve de principe. Dans leur article, ils introduisent de nouveaux tests d'observation qui pourraient être utilisés pour étudier les symétries de l'espace-temps, tout en décrivant également les limitations potentielles de leur approche suggérée, qui pourraient être abordées à l'avenir.

Dans l'ensemble, leur étude suggère que le pool de tests de la théorie de la Relativité Générale pourrait être élargi. De plus, elle fournit des calculs utiles qui pourraient être effectués en utilisant les données collectées par divers détecteurs d'ondes gravitationnelles.

Goncharov and his colleagues hope that their paper will open further discussions about spacetime symmetries and gravitational wave memory among others within their research community. These discussions could potentially pave the way towards the unification of various physics theories.

'At the moment, with Sharon Tomson (a new Ph.D. student at my current institute, AEI in Hannover, Germany), and Dr. Rutger van Haasteren, I am starting a search for gravitational wave memory with Pulsar Timing Arrays (PTAs).'

PTAs are tools for astronomical observation that collect highly stable and regular signals originating from pulsars (i.e., rapidly spinning neutron stars), using radio telescopes on Earth. These neutron stars behave like highly precise clocks, as they are sensitive enough to pick up delays and advances of radio pulses resulting from the propagation of gravitational waves across the Milky Way.

'PTAs are galactic-scale detectors, which currently seem to be gradually picking up a joint hum of slowly inspiraling supermassive binary black holes in the nearby universe. The signal yields slow variations in pulse arrival times that are most prominent on timescales of several years to decades,' Goncharov added.

'One standing out merger of supermassive binary black holes in a nearby galaxy may cause a gravitational wave burst with memory, detectable by PTAs. Although such bursts are very rare, we hope to extract some useful information from the data by placing limits on their existence.'

Journal information: Physical Review Letters , arXiv

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