Étude résout les énigmes de l'effondrement gravitationnel des ondes gravitationnelles.

15 novembre 2023 fonctionnalité

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Les trous noirs sont des régions de l'espace où la force gravitationnelle est si forte que rien ne peut s'échapper, même la lumière. 

Ces régions fascinantes ont fait l'objet de nombreuses études, mais une partie de la physique qui sous-tend leur formation n'est pas encore totalement comprise. Les trous noirs se forment lors de ce qu'on appelle un effondrement gravitationnel. Il s'agit essentiellement de la contraction d'un objet cosmologique, provoquée par sa propre gravité qui attire la matière vers l'intérieur (c'est-à-dire vers le centre de gravité de l'objet). 

Que cet objet en effondrement forma un trou noir ou non dépend des propriétés spécifiques de l'objet. Dans certains cas, un objet peut être très proche du seuil, ayant du mal à décider s'il forme ou non un trou noir. Ce type d'effondrement conduit à ce qu'on appelle des phénomènes critiques. 

Les physiciens ont tenté de comprendre les phénomènes critiques dans l'effondrement gravitationnel depuis des décennies, car certaines de ses propriétés sont partagées par d'autres systèmes physiques bien connus. Un article récent publié dans Physical Review Letters par une collaboration internationale de recherche basée à Bowdoin College aux États-Unis et d'autres instituts en Allemagne, à Prague, au Royaume-Uni et au Portugal, a trouvé un accord entre trois simulations numériques indépendantes de ces phénomènes et a résolu certains problèmes de longue date dans ce domaine d'étude. 

"Les phénomènes critiques dans l'effondrement gravitationnel, près du début de la formation des trous noirs, ont été rapportés pour la première fois par Matt Choptuik il y a environ 30 ans", a déclaré Thomas W. Baumgarte, co-auteur de l'article, à Phys.org. "En partie parce que ces effets partagent de nombreuses propriétés avec les phénomènes critiques dans d'autres domaines de la physique (par exemple, les transitions de phase en physique statistique) et en partie parce qu'ils abordent des questions fondamentales concernant les propriétés de la relativité générale, ils ont immédiatement attiré l'attention de nombreux chercheurs de différents domaines de la physique". Deux des propriétés les plus fascinantes de l'effondrement gravitationnel critique sont l'universalité et l'auto-similarité. Dans ce contexte, le terme universalité fait référence à l'idée que peu importe comment un calcul commence, lorsque le début de la formation d'un trou noir approche, la solution sera toujours la même. En revanche, l'auto-similarité signifie que cette solution universelle reproduira les mêmes motifs lorsque l'échelle physique est réduite. 

"Tandis que les calculs de Choptuik impliquaient un champ scalaire comme source de matière, Andrew Abrahams et Chuck Evans ont rapidement rapporté des effets similaires pour l'effondrement gravitationnel des ondes gravitationnelles (c'est-à-dire pour la gravité pure en l'absence de toute matière)", explique Baumgarte. 

"Une autre différence est que Choptuik a pu supposer une symétrie sphérique, tandis que les ondes gravitationnelles ne peuvent pas exister dans une symétrie sphérique, de sorte qu'Abrahams et Evans ont dû relâcher l'hypothèse de symétrie sphérique. Malheureusement, il a été très difficile de reproduire ces derniers résultats, car certains codes numériques ont complètement échoué dans ce cas, ou ont fourni des résultats qui semblaient contredire ceux d'Abrahams et Evans". Après les résultats apparemment contradictoires obtenus dans les années 1990, la nature de l'effondrement critique de la "gravité pure" est restée un mystère non résolu pendant près de trois décennies. Récemment, cependant, trois groupes de recherche différents ont réalisé des simulations numériques indépendantes de cet effondrement, en utilisant des codes développés indépendamment. 

"Tous ces trois codes résolvent les équations d'Einstein de la relativité générale, mais ils utilisent des stratégies numériques complètement différentes (par exemple, des méthodes spectrales par rapport à des méthodes aux différences finies)", explique Baumgarte. "Des coordonnées cartésiennes versus des coordonnées polaires sphériques, des conditions de jauge différentes, etc. Les trois codes font également des choix différents pour la soi-disant "condition de découpage" (c'est-à-dire qu'ils adoptent des choix différents pour le taux auquel le temps avance dans les codes)". 

L'objectif clé de l'étude récente de Baumgarte et de ses collègues était d'examiner collectivement les trois simulations numériques qui ont récemment été réalisées par ces trois équipes de recherche différentes. Leur article était donc un effort conjoint des équipes, visant à relier leurs efforts de recherche indépendants pour apporter un nouvel éclairage sur la nature de l'effondrement gravitationnel.

'As a first finding we report that, despite all the numerical differences, our codes produce completely consistent results for the critical collapse of gravitational waves,' Baumgarte said. ' This gives us confidence that these findings are correct, and not numerical artifacts. Making a suitable choice for the slicing condition turns out to be crucial: a very common other choice, one that has been successful for many other numerical relativity simulations, fails for this case, which explains why some previous attempts to solve this problem failed.'

Notably, in their three independent numerical simulations, the researchers found no evidence supporting the property of universality. In other words, they found that starting the numerical with different initial data resulted in different values while approaching the formation of a black hole.

'Our findings explain another piece of the puzzle,' Baumgarte said. 'Some previous studies had reported differences from the results of Abrahams and Evans, which therefore appeared conflicting, However, those studies also used different initial data. A disagreement between the results therefore constitutes a contradiction only under the assumption of universality—for which we do not see any evidence.'

While the researchers found no evidence of universality, they found approximate evidence of self-similarity. Interestingly, however, unlike that observed in the case of critical collapse in spherical symmetry, the self-similarity they observed did not appear to be exact.

Back in the 1990s, Abrahams and Evans had also reported a non-exact self-similarity. These recent results are thus aligned with previous findings, potentially suggesting that reported departures from an exact self-similarity could be linked to the absence of a spherical symmetry.

The recent work by Baumgarte and his colleagues could soon pave the way for new numerical and theoretical studies aimed at further studying and re-framing the critical collapse of gravitational waves. This could bring physicists closer to unveiling the nature and mysteries of this intriguing physical phenomenon, known to precede the formation of black holes.

'While we believe that our work has resolved several open questions in the context of critical collapse of gravitational waves, several follow-up questions remain,' Baumgarte added. 'For example, we found approximately self-similar solutions for some families of initial data, but not for others, and the nature of the 'threshold solution' for those other families remains unclear.

'It would also be desirable to perform simulations with better fine-tuning to the onset of black-hole formation (e.g., using numerical codes with better resolution and/or other improvements) to explore whether a universal critical solution emerges for fine-tuning that is better than anybody has achieved so far.

'Finally, we plan to investigate what causes the departures from an exact self-similarity and determine if these departures are directly related to the absence of spherical symmetry.'

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