L'une des prédictions les plus inattendues de la théorie générale de la relativité d'Einstein est l'existence non seulement de la matière, du rayonnement et d'autres formes d'énergie basées sur des particules, mais aussi de l'existence du rayonnement gravitationnel lui-même, une «ondulation» fondamentale sur le tissu de l'espace-temps. C'est l'un des concepts les plus difficiles à comprendre, et notre lecteur souhaite en savoir plus sur ce sujet:
Les ondes gravitationnelles sont des perturbations de l'espace-temps se déplaçant à une vitesse de c. Cependant, l'espace-temps peut s'étendre et se contracter plus rapidement avec. Mais l'expansion, suivie de la contraction, est en fait la définition d'une onde de compression. Cela semble être un paradoxe: les ondes gravitationnelles se déplacent avec la vitesse c, mais pour elles, il semble y avoir la possibilité d'un mouvement supraluminique. Comment le résoudre?
Pour commencer, commençons par le concept de ce rayonnement et comment il apparaît.
En électromagnétisme, même en classique, il n'y a que deux choses nécessaires à l'apparition du rayonnement électromagnétique: la charge et le champ à travers lequel il se déplace. Une charge électrique peut être positive (comme un proton) et négative (comme un électron), et si elle se déplace dans un champ magnétique, elle l'accélérera et tournera, l'envoyant sur une trajectoire cyclique ou en spirale.
Plus le champ est fort, plus la vitesse est élevée et plus le rapport charge / masse est élevé, plus l'accélération (ou le changement de mouvement) est grande.
Mais dans de telles interactions, l'énergie et la quantité de mouvement doivent être conservées, par conséquent, dans l'électromagnétisme chaque fois qu'une charge est accélérée par un champ externe, elle doit émettre un rayonnement. Il se manifeste sous la forme de photons et est appelé, selon la méthode d'apparition,
bremsstrahlung (allemand: Bremsstrahlung), rayonnement
cyclotron ou
synchrotron .
En physique newtonienne, il n'y aurait pas de rayonnement gravitationnel, mais la relativité générale d'Einstein change tout. Les sources massives - telles que les particules - ont un analogue de la charge gravitationnelle, et l'espace courbe est un analogue du champ gravitationnel. Chaque fois qu'une particule massive se déplace dans un espace incurvé, et qu'elle peut être fortement incurvée à côté d'une étoile, d'une naine blanche, d'une étoile à neutrons ou d'un trou noir, elle émettra un analogue de rayonnement électromagnétique: le rayonnement gravitationnel.
Cette nouvelle forme de rayonnement ne sera pas un photon ou un autre type de rayonnement, mais une onde gravitationnelle se propageant dans le tissu même de l'espace. Pour une masse de l'ordre de la terre, tournant autour du Soleil, le rayonnement gravitationnel est si petit qu'un changement notable dans l'orbite devrait prendre environ 10
140 âges de l'univers. Nous ne le remarquerons jamais. Mais pour les systèmes avec des masses plus grandes, des distances plus courtes et des champs plus forts, les conséquences sont plus graves: pour les doubles pulsars, en orbite autour d'un trou noir supermassif au centre de notre galaxie ou en fusionnant les trous noirs. Dans de tels cas, on peut observer une diminution de l'orbite, et en raison de la nécessité de conserver l'énergie, nous savons que quelque chose l'enlève.
Ce devrait être un rayonnement gravitationnel (ce sont aussi des ondes gravitationnelles), et grâce à l'observation de doubles pulsars, nous savons que la vitesse de ce rayonnement doit être égale à la vitesse de la lumière avec une précision de 0,2%! En d'autres termes, les ondes se déplacent dans l'espace à la même vitesse que les photons. La principale différence est que dans le cas du rayonnement gravitationnel, ces ondes font partie intégrante du tissu de l'espace.
Alors, que se passe-t-il si ces ondes, comme décrit dans la question du lecteur, ne sont pas créées dans un espace statique, mais dans un univers en expansion? Ils s'étirent et se dilatent, tout comme les photons.
La longueur d'onde d'un photon voyageant dans un univers en expansion s'étend avec l'expansion de l'espace. La concentration et l'énergie de ces particules diminuent, et bien qu'elles se propagent toujours à la vitesse de la lumière, la distance entre la source et l'observateur augmente. Par exemple, au tout début du Big Bang chaud, il y a 13,8 milliards d'années, après seulement 10 à
33 secondes après l'inflation:
• Le photon qui nous est parvenu aujourd'hui ne serait qu'à 100 mètres de nous il y a 13,8 milliards d'années.
• Il voyagerait 13,8 milliards d'années et voyagerait 13,8 milliards d'années-lumière à travers un univers en expansion, et sa longueur d'onde augmenterait de 28 ordres de grandeur.
• La source du photon qui nous est parvenue aujourd'hui serait à 46,1 milliards d'années-lumière de nous.
Ça a l'air fou? Cette même folie se produit avec les ondes gravitationnelles! Les ondulations gravitationnelles doivent également se propager à travers l'Univers en expansion, se déplacer également dans l'espace avec la vitesse de la lumière (en expansion ou non), et sa longueur d'onde s'étire de la même manière qu'avec les photons. Les ondes gravitationnelles «chevauchent» sur le tissu de l'espace de la même manière que les vagues d'eau «chevauchent» à la surface de l'eau. Si vous laissez tomber une pierre dans une rivière, les ondulations ne se propageront pas seulement vers l'extérieur le long du rayon. Il se répandra vers l'extérieur, et en même temps, il sera emporté par la rivière.
Les ondulations gravitationnelles sur le tissu de l'espace se comportent approximativement de la même manière: les vagues se déplacent à la vitesse avec laquelle elles se déplacent toujours dans le milieu - à la vitesse de la lumière c - mais parfois le milieu se déplace également. Cela ne signifie pas qu'ils dépassent la vitesse de la lumière, tout comme les photons ne la dépassent pas lorsqu'ils se trouvent à 46 milliards d'années-lumière de la source à partir de laquelle ils ont commencé leur voyage il y a 13,8 milliards d'années. Les ondes gravitationnelles se comportent comme elles le devraient. La contrepartie de la compression et de l'expansion est vraiment très bonne. Une onde passante déforme le tissu de l'espace, et toutes les choses et les particules qu'il contient, les étirant et les comprimant d'une certaine manière.
Mais il se propage à travers l'Univers à la vitesse de la lumière et en tenant compte du comportement du tissu de l'espace: se dilate, se contracte ou reste statique. C'est la solution au paradoxe: les vagues se déplacent à une vitesse c, peu importe ce qui arrive à l'environnement qu'elles traversent!