Un scientifique réalise la première étude non linéaire des imitateurs de trous noirs

Dans une recherche récente, un scientifique de l’Université de Princeton a réalisé la première étude non linéaire de la fusion d’un imitateur de trou noir, visant à comprendre la nature des signaux d’ondes gravitationnelles émis par ces objets, ce qui pourrait potentiellement aider à identifier les trous noirs avec plus de précision.

Les imitateurs de trous noirs sont des objets astronomiques hypothétiques qui imitent les trous noirs, notamment dans leurs signaux d’ondes gravitationnelles et leur effet sur les objets environnants. Cependant, ils ne possèdent pas d’horizon des événements, qui est le point de non-retour.

La recherche a été menée par Nils Siemonsen, chercheur associé à l’Université de Princeton, qui a parlé à Phys.org de son travail.

« Les imitateurs de trous noirs sont des objets remarquablement proches des trous noirs mais dépourvus d’horizon des événements. En observant les ondes gravitationnelles, nous pourrions être capables de distinguer les trous noirs des objets imitant la plupart de leurs propriétés », a-t-il déclaré.

L’étude, publié dans Lettres d’examen physiquese concentre sur un type de trou noir imitateur appelé étoiles à bosons. Selon le Dr Siemonsen, la clé pour les distinguer des trous noirs réside dans les ondes gravitationnelles émises lorsque les étoiles à bosons entrent en collision et fusionnent.

Étoiles à bosons binaires et fusions

Les étoiles à bosons sont l’un des candidats potentiels pour imiter les trous noirs et, comme leur nom l’indique, elles sont constituées de bosons. Les bosons sont des particules subatomiques, comme les photons et la particule de Higgs.

Les étoiles à bosons sont constituées de bosons scalaires comme les axions hypothétiques, qui sont des bosons sans spin, c’est-à-dire sans moment angulaire intrinsèque. Les champs scalaires des particules forment une configuration stable liée gravitationnellement sans nécessiter d’interaction forte.

Recherches antérieures a montré que la fusion d’un système d’étoiles binaires à bosons conduit à des signaux d’ondes gravitationnelles, qui sont des ondulations dans l’espace-temps causées par des processus violents.

Ces signaux sont universellement identiques à ceux d’un trou noir en fusion (ou de la phase post-fusion), indépendamment de la structure interne du mimétique du trou noir.

La différence dans les signaux d’ondes gravitationnelles émis est observée après un temps de traversée de la lumière à l’intérieur du mimétique, qui est le temps mis par la lumière pour parcourir le diamètre du mimétique, qui dans ce cas est l’étoile à bosons.

Dans le cas d’un imitateur de trou noir, cela se caractérise par des échos gravitationnels répétés de type « salves ».

Dans le but d’affiner les recherches antérieures, le Dr Siemonsen a cherché à aborder des problèmes tels que le manque de prise en compte des effets gravitationnels non linéaires et l’exclusion des auto-interactions entre la matière de l’objet.

Traitement non linéaire et auto-cohérent des imitateurs de trous noirs

Pour remédier aux limites des études précédentes, le Dr Siemonsen a utilisé des simulations numériques pour résoudre les équations complètes d’Einstein-Klein-Gordon, qui décrivent l’évolution des champs scalaires, tels que ceux des étoiles à bosons.

Pour la fusion, l’étude s’est concentrée sur des scénarios de rapport de masse important, c’est-à-dire la fusion d’une étoile à bosons plus petite avec une étoile plus grande et plus compacte, avec les équations de Klein-Gordon décrivant la collision frontale du système d’étoiles binaires.

L’équation de Klein-Gordon, couplée aux équations de champ d’Einstein, qui décrivent la dynamique gravitationnelle, permet d’étudier l’évolution auto-cohérente du système.

Pour résoudre l’ensemble des équations, le Dr Siemonsen a utilisé la technique de relaxation de Newton-Raphson avec les méthodes des différences finies du cinquième ordre.

Il a expliqué les défis liés à la mise en œuvre de ces techniques : « Ce n’est que dans certaines conditions qu’un imitateur de trou noir se forme à partir de la fusion de deux étoiles à bosons. La région de la solution où cela se produit est particulièrement difficile à simuler en raison de la grande séparation des échelles. »

Pour surmonter ces problèmes, des méthodes telles que le raffinement adaptatif du maillage et la très haute résolution ont été utilisées.

Des rafales à haute fréquence

Les simulations ont révélé que le signal d’onde gravitationnelle de l’explosion contient une composante de type rafale avec des propriétés différentes, comme on le croyait auparavant, ainsi qu’une composante d’onde gravitationnelle de longue durée.

« Aucun de ces composants n’est présent dans une fusion et une oscillation normales de trous noirs binaires. Cela pourrait guider les futures recherches d’ondes gravitationnelles axées sur le test du paradigme du trou noir », a expliqué le Dr Siemonsen.

Cependant, le signal d’onde gravitationnelle initial d’un imitateur est similaire à celui d’un trou noir en rotation, connu sous le nom de trou noir de Kerr, car l’étoile à bosons primaire (ou plus grande) devient plus compacte et plus dense.

L’étude a révélé que le moment des sursauts dépend de la taille de la plus petite étoile à bosons impliquée dans la fusion.

De plus, ils ont découvert un composant de longue durée de vie avec une fréquence comparable à celle que l’on attendrait d’un trou noir, probablement en raison des oscillations de l’objet résiduel.

« Les trous noirs se stabilisent dans leur état de quiescence sur des échelles de temps très courtes. Les imitateurs de trous noirs, en revanche, sont censés réémettre une partie de l’énergie disponible lors de la fusion sous forme d’ondes gravitationnelles pendant la fusion de ces dernières sur des échelles de temps relativement longues », explique le Dr Siemonsen.

Enfin, l’étude a révélé que l’énergie totale émise dans les ondes gravitationnelles est significativement plus importante que celle attendue lors d’un événement de fusion de trous noirs équivalent.

Travaux futurs

Les deux composants identifiés dans l’étude pourraient être utilisés comme un différenciateur entre un résidu de fusion de trou noir et un imitateur de trou noir.

« Cependant, il reste encore de nombreuses questions sans réponse sur les propriétés des imitateurs de trous noirs bien motivés et sur leur dynamique de fusion et de résonance », a ajouté le Dr Siemonsen.

En parlant de travaux futurs, il a noté : « Une direction future intéressante consiste à considérer un imitateur de trou noir bien motivé et à comprendre sa dynamique d’inspiration, de fusion et de régression dans le contexte d’un binaire.

« De plus, l’analyse de la résonance de ces imitateurs bien motivés à l’aide de techniques perturbatives et la connexion de celles-ci à des traitements non linéaires sont cruciales pour guider les futurs tests du paradigme du trou noir à l’aide d’observations d’ondes gravitationnelles. »

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