Contraindre la dynamique des trous noirs en rotation via le principe de symétrie de jauge

En 2015, l’expérience LIGO/Virgo, un effort de recherche à grande échelle basé sur deux observatoires aux États-Unis, a conduit à la première observation directe des ondes gravitationnelles. Cette étape importante a depuis incité les physiciens du monde entier à concevoir de nouvelles descriptions théoriques de la dynamique des trous noirs, en s’appuyant sur les données collectées par la collaboration LIGO/Virgo.

Des chercheurs de l’Université d’Uppsala, de l’Université d’Oxford et de l’Université de Mons ont récemment entrepris d’expliquer la dynamique des trous noirs de Kerr, des trous noirs théoriquement prédits qui tournent à une vitesse constante, en utilisant la théorie des particules massives à haut spin. Leur papier, publié dans Lettres d’examen physiquepropose spécifiquement que la dynamique de ces trous noirs en rotation est contrainte par le principe de symétrie de jauge, ce qui suggère que certains changements de paramètres d’un système physique n’auraient aucun effet mesurable.

« Nous avons recherché un lien entre les trous noirs Kerr en rotation et les particules massives de spin supérieur », a déclaré Henrik Johansson, co-auteur de l’article, à Phys.org. « En d’autres termes, nous avons modélisé le trou noir comme une particule fondamentale en rotation, de la même manière que l’électron est traité en électrodynamique quantique. »

Le lien entre les trous noirs de Kerr et la théorie des spins supérieurs a été exploré pour la première fois dans deux articles distincts publiés en 2019. première de ces études a été réalisée par Alfredo Guevara à l’Institut Périmètre de physique théorique et ses collaborateurs en Europe, tandis que la deuxième par Ming-Zhi Chung de l’Université nationale de Taiwan et ses collègues de l’Université nationale de Séoul.

Ces deux travaux antérieurs ont montré que la métrique bien connue de Kerr peut être adaptée à une famille infinie d’amplitudes de diffusion de spin plus élevé. Ces amplitudes ont été obtenues pour la première fois par les physiciens Nima Arkani-Hamed, Tzu-Chen Huang et Yu-tin Huang, dans le cadre de une étude antérieure.

« Bien que ces résultats antérieurs soient remarquables, ils ne sont pas encore suffisants pour décrire avec précision la dynamique des trous noirs de Kerr en vue des expériences à venir, telles que le télescope Einstein, LISA et Cosmic Explorer », a déclaré Johansson. « Certaines informations manquantes importantes sont contenues dans l’amplitude de diffusion Compton du trou noir, qui est actuellement inconnue pour le spin général. »

Dans leur article, Johansson et ses collègues suggèrent que le principe de symétrie de jauge pourrait être utilisé pour contraindre avec succès la dynamique des trous noirs en rotation. Les chercheurs ont montré qu’une symétrie massive de jauge à spin supérieur, informée par un mécanisme décrit pour la première fois par Ernst Stueckelberg puis formalisé par Yurii Zinoviev, peut être utilisée pour reproduire les amplitudes de diffusion Kerr rapportées dans des articles précédents.

« Nous avons également montré que les amplitudes de diffusion Compton inconnues sont sévèrement contraintes, même si l’obtention de l’unicité nécessite des informations supplémentaires », a déclaré Johansson.

« Les théories quantiques des champs à spin élevé (QFT) sont connues pour leur complexité. Même les QFT à faible spin, comme le cas de spin-1 du modèle standard et le cas de spin-2 de la relativité générale, sont bien sûr compliqués, et leurs formulations reposent fondamentalement sur la symétrie de jauge et la symétrie du difféomorphisme (covariance générale). Ces deux symétries peuvent être considérées comme les deux échelons les plus bas d’une échelle infinie appelée symétrie de jauge à spin supérieur.

Bien que la symétrie de jauge ne soit pas nécessaire pour décrire la dynamique des particules massives, elle s’est avérée être un outil précieux pour décrire des interactions cohérentes. Une réalisation de cette symétrie de jauge massive est ce qu’on appelle le mécanisme de Higgs.

« En utilisant une symétrie massive de jauge de spin supérieur pour les trous noirs, nous pourrions garantir que les degrés de liberté de spin sont traités de manière cohérente et écrire un lagrangien efficace », a expliqué Johansson. « Le lagrangien donne à la fois la description correcte d’un spin supérieur d’un noir de Kerr. trou noir et a un comportement raisonnablement bon à haute énergie. Le bon comportement à haute énergie n’est pas important pour les trous noirs classiques, mais il donne une certaine confiance dans le fait que la théorie efficace pourrait également décrire certains processus quantiques.

Johansson et ses collègues ont été les premiers à appliquer une symétrie de jauge de spin plus élevée aux trous noirs. Les résultats de leurs premiers calculs sont prometteurs et pourraient bientôt ouvrir la voie à d’autres études explorant ce lien.

« Bien que nous prévoyions qu’il faudra un certain temps avant que la théorie pleinement efficace de la rotation des trous noirs soit comprise, nous pensons que la symétrie de jauge à spin supérieur sera un élément essentiel dans sa formulation, de la même manière que la symétrie de jauge et la symétrie du difféomorphisme ont guidé la théorie. cadre de la physique du XXe siècle », a déclaré Johansson. « L’amplitude complète de diffusion Compton pour un trou noir de Kerr reste énigmatique, mais nous avons de grands espoirs de pouvoir la contraindre complètement à l’avenir. Cela implique à la fois de la comprendre pour des ordres de spin arbitraires et pour des ordres plus élevés dans la constante de Newton. »

Contraindre complètement l’amplitude de diffusion des trous noirs de Kerr nécessitera à terme une étroite collaboration entre les physiciens théoriciens étudiant les particules massives à spin élevé et ceux qui tentent de résoudre l’équation dite de Teukolsky, ancrée dans la théorie de la relativité générale. Des collaborations récentes entre ces communautés de recherche distinctes suggèrent que des progrès pourraient bientôt être réalisés dans cette direction.

« Dans nos prochains travaux, nous aimerions également approfondir le lien entre les trous noirs et leurs propriétés quantiques, qui rappellent les particules élémentaires », a ajouté Johansson.

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