Comme le prédit la théorie de la relativité générale, le passage des ondes gravitationnelles peut entraîner un changement mesurable dans la position relative des objets. Ce phénomène physique, connu sous le nom de mémoire des ondes gravitationnelles, pourrait potentiellement être exploité pour étudier à la fois les ondes gravitationnelles et l’espace-temps.
Des chercheurs du Gran Sasso Science Institute (GSSI) et de l’International School for Advanced Studies (SISSA) ont récemment mené 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 Lettres d’examen physiquesuggère que ces symétries pourraient être sondées via l’observation du déplacement et de la mémoire de spin.
« J’ai longtemps été curieux du phénomène de mémoire des ondes gravitationnelles et du lien entre la physique des basses énergies associée et 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 professeur Paul Lasky de l’université Monash en Australie, pendant mon doctorat, alors que je discutais de la mémoire des ondes gravitationnelles. Puis j’ai découvert le 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 de 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 entrepris d’explorer la possibilité d’exploiter la mémoire des ondes gravitationnelles pour sonder 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 – comme une théorie quantique des champs à la limite asymptotique de l’espace-temps », a déclaré Goncharov.
« Cette approche d’unification de la physique me paraît substantielle et prometteuse ; je la trouve très enthousiasmante. Notre projet spécifique est né en discutant des nouvelles avancées dans ce domaine avec la professeure Laura Donnay, co-auteure de la publication. »
En examinant la littérature existante dans ce domaine, les chercheurs ont découvert qu’un nombre croissant de symétries de l’espace-temps lointain étaient évoquées, mais qu’il n’était pas clair lesquelles de ces symétries et les termes de mémoire correspondants existaient dans la nature. Alors que plusieurs physiciens avaient exploré la possibilité de détecter la mémoire des ondes gravitationnelles, Goncharov et ses collègues n’étaient pas certains de la physique qui pourrait être limitée à l’aide de leurs mesures.
« L’idée de pouvoir tester ces symétries de l’espace-temps était au cœur de notre étude », explique Goncharov. « Un autre aspect est que le professeur Jan Harms et moi-même sommes membres de la collaboration autour 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 terrestres européen de nouvelle génération prévu pour les années 2030. »
Jusqu’à présent, les chercheurs n’avaient pas encore mis en place une approche conventionnelle pour mesurer les symétries de l’espace-temps via l’observation des effets de mémoire des ondes gravitationnelles. L’article récent de Goncharov et de ses collègues visait à combler cette lacune apparente dans la littérature.
« De nombreux travaux importants ont été réalisés au préalable, notamment sur (a) la prévision du moment et des instruments permettant de détecter les différents termes de mémoire des ondes gravitationnelles, (b) la manière de calculer les effets de mémoire des ondes gravitationnelles de manière analytique ou en utilisant la relativité numérique, et (c) la manière dont différents modèles de symétries de l’espace-temps produisent des termes de mémoire des ondes gravitationnelles », a déclaré Goncharov. « Cependant, une discussion sur les symétries de l’espace-temps basée sur les effets de mémoire observés semblait constituer une lacune dans la littérature. »
Les travaux récents de ces chercheurs peuvent être considérés comme une preuve de principe. Dans leur article, ils présentent de nouveaux tests d’observation qui pourraient être utilisés pour sonder les symétries de l’espace-temps, tout en soulignant les limites potentielles de leur approche suggérée, qui pourraient être abordées à l’avenir.
Dans l’ensemble, leur étude suggère que le panel de tests de la théorie de la relativité générale pourrait être élargi. En outre, elle fournit des calculs utiles qui pourraient être effectués à l’aide de données collectées par divers détecteurs d’ondes gravitationnelles.
Goncharov et ses collègues espèrent que leur article ouvrira de nouvelles discussions sur les symétries de l’espace-temps et la mémoire des ondes gravitationnelles au sein de leur communauté de recherche. Ces discussions pourraient potentiellement ouvrir la voie à l’unification de diverses théories de la physique.
« Actuellement, avec Sharon Tomson (une nouvelle doctorante dans mon institut actuel, l’AEI à Hanovre, en Allemagne), et le Dr Rutger van Haasteren, je commence une recherche sur la mémoire des ondes gravitationnelles avec les Pulsar Timing Arrays (PTA). »
Les PTA sont des outils d’observation astronomique qui collectent des signaux très stables et réguliers provenant de pulsars (c’est-à-dire des étoiles à neutrons à rotation rapide), à l’aide de radiotélescopes sur Terre. Ces étoiles à neutrons se comportent comme des horloges de haute précision, car elles sont suffisamment sensibles pour détecter les retards et les avances des impulsions radio résultant de la propagation des ondes gravitationnelles à travers la Voie lactée.
« Les PTA sont des détecteurs à l’échelle galactique, qui semblent actuellement capter progressivement un bourdonnement conjoint de trous noirs binaires supermassifs en spirale lente dans l’univers proche. Le signal produit de lentes variations dans les temps d’arrivée des impulsions qui sont plus marquées sur des échelles de temps de plusieurs années à plusieurs décennies », a ajouté Goncharov.
« Une fusion remarquable de trous noirs binaires supermassifs dans une galaxie proche pourrait provoquer une explosion d’ondes gravitationnelles avec mémoire, détectable par les PTA. Bien que de telles explosions soient très rares, nous espérons extraire des informations utiles des données en limitant leur existence. »
Plus d’information:
Boris Goncharov et al., Déduction des symétries fondamentales de l’espace-temps avec la mémoire des ondes gravitationnelles : de LISA au télescope Einstein, Lettres d’examen physique (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.241401. Sur arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2310.10718
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