Demandez à Ethan: Comment les ondes gravitationnelles s'échappent-elles d'un trou noir?

La combinaison de deux trous noirs, en particulier dans les phases finales, conduit à l'émission d'un grand nombre d'ondes gravitationnelles

La plus grande découverte de 2016 a peut-être été la détection directe des ondes gravitationnelles. Bien que la théorie générale de la relativité d'Einstein les ait prédit 101 ans avant cet événement, pour les détecter, il était nécessaire de créer un interféromètre laser sensible à la courbure de l'espace, en déplaçant des miroirs situés à plusieurs kilomètres les uns des autres, à une distance ne dépassant pas 10 ^-19 m, ou 1 / 10000 diamètres de protons. Cela s'est finalement produit lors du traitement des données LIGO en 2015, et deux véritables associations de trous noirs ont été trouvées sans équivoque parmi les données reçues. Mais comment les lois de la physique permettent-elles cela? Notre lecteur veut savoir:

Cette question m'a occupé pendant très longtemps. Dans les articles sur la découverte faite au LIGO, ils écrivent qu'une partie de la masse a été émise lors de la fusion des trous noirs, en raison de laquelle le trou noir résultant s'est avéré être inférieur à la somme des deux originaux. Cependant, on pense que l'on ne peut pas s'échapper d'un trou noir. Comment l'énergie a-t-elle rayonné lorsque les trous noirs ont fusionné?

Une question assez profonde liée à l'essence même de la physique des trous noirs et de la relativité générale.


Un trou noir et son environnement, un disque d'accrétion accélérant et y tombant. La singularité se cache derrière l'horizon des événements.

D'une part, nous avons un trou noir. Toute sa masse / énergie est concentrée dans une singularité au centre, et elle n'est pas visible pour un observateur externe en raison de la présence d'un horizon d'événement. À l'intérieur, tout chemin qu'une particule peut suivre, qu'elle soit massive ou sans masse, quelle que soit sa vitesse ou son énergie, la conduira à une singularité au centre du trou noir. Cela signifie que toute particule qui tombe à l'intérieur de l'horizon des événements ne pourra jamais en sortir, de sorte que toute l'énergie sera capturée pour toujours dans le trou noir. Une fois dans un trou noir, vous faites partie des propriétés de la singularité: masse, charge (toutes sortes) et spin. Et c'est tout.


Les ondes dans l'espace-temps ont une fréquence de l'orbite totale des trous noirs, et plus elles sont proches du centre, plus elles sont intenses

D'un autre côté, GTR nous dit que lorsque deux masses de n'importe quel type tournent l'une autour de l'autre, en conséquence, des vagues apparaissent sur le tissu de l'espace et l'orbite se rétrécit progressivement. Ce sont des ondes gravitationnelles, elles se déplacent à la vitesse de la lumière, transportent de l'énergie avec elles et provoquent l'expansion et la réduction de l'espace au fur et à mesure qu'il le traverse. En raison de la célèbre équation d'Einstein E = mc ² (ou, comme il l'a écrit à l'origine, m = E / c ² ), nous savons que la source d'énergie est la masse et la source de la masse est l'énergie. Ils peuvent être convertis d'avant en arrière; la masse n'est qu'une forme que l'énergie prend.


Signal LIGO associé à la première détection précise des ondes gravitationnelles

Ainsi, lorsque LIGO a publié les résultats de l'événement qui s'est produit le 14 septembre 2015, en janvier 2016, il n'était pas particulièrement surprenant que les scientifiques aient découvert deux trous noirs - 36 et 29 masses solaires - fusionnant pour créer un nouveau trou noir. pesant 62 solaire. Et où sont passés les trois autres masses du Soleil (environ 5% du poids de l'ensemble du système)? Ils sont entrés dans l'énergie des ondes gravitationnelles. Tous les événements détectés après cela avaient approximativement la même tendance: deux trous noirs de masses comparables convergeaient en spirale et environ 5% de leur masse initiale totale rayonnaient vers l'extérieur sous forme d'ondes gravitationnelles.

Mais chaque trou noir a un horizon d'événement. Chacune des paires l'a eu avant la fusion, elle a le trou noir résultant, et à tout moment de la fusion, la singularité ne devient pas «nue» et n'est pas affichée en raison de l'horizon des événements. Alors, comment la masse diminue-t-elle?


Tout objet ou forme, physique ou non physique, est déformé lorsque des ondes gravitationnelles le traversent. Aucune onde n'est émise depuis l'horizon des événements.

Ce n'est pas une question piège. Cela revient à demander où se trouve la masse lorsque les protons fusionnent dans le deutérium, l'hélium-3, puis l'hélium-4 au soleil. Pourquoi l'hélium-4 est-il moins massif que les quatre protons dont il est issu? En raison de l'énergie de liaison des noyaux. Un état lié est plus stable, et il a moins d'énergie (et donc moins de masse) qu'un état non lié. Lorsque deux trous noirs se rejoignent et fusionnent, ils deviennent plus gravitationnellement connectés qu'auparavant. Ils perdent de l'énergie en raison de l'énergie de la liaison gravitationnelle, et non du fait qu'une partie de la masse quitte l'horizon des événements.


La loi de gravité de Newton a cédé la place au GR d'Einstein, mais elle sert toujours d'outil visuel pour suivre des quantités telles que la force et l'énergie.

Cela peut être vu de la gravité newtonienne. Imaginez que vous avez deux masses de 1 kg chacune, elles sont au repos et séparées par une distance infinie. Un tel système a une énergie interne de 1,8 × 10 ¹⁷ J, qui peut être calculée à partir de l'équation d'Einstein E = mc ² . Rapprochez-les maintenant en réduisant la distance entre eux.

• Si un kilomètre les sépare, alors tout le système a perdu 6,67 × 10 ^-14 J.
• Si vous réduisez la distance au centimètre, le système perdra 6,67 × 10 ^-9 J.
• Si vous réduisez la distance à la taille du proton, de 10 à ¹⁵ m, le système perdra 6,67 × 10 ⁴ J, soit 66700 J.
• Si vous voulez perdre une très grande quantité d'énergie, vous pouvez réduire la distance qui les sépare à 10 ^-27 m, puis vous perdez 6,67 × 10 ¹⁶ J, soit environ 35% de l'énergie d'origine du système!


Lumière et vagues dans l'espace. La lumière, traversant un espace incurvé, change la façon dont l'observateur perçoit à tout moment le temps écoulé pour la lumière.

Bien sûr, l'Univers à de telles échelles est soumis à la GR, et non à la gravité newtonienne, mais l'essence reste la même. Ce ne sont pas les trous noirs qui perdent de la masse; cette quantité totale d'énergie est transformée d'une forme - deux masses séparées non liées - en une autre: une seule masse fortement connectée et un rayonnement gravitationnel. Les propriétés de l'orbite et de la masse des trous noirs initiaux déterminent quel pourcentage de la masse initiale totale deviendra l'énergie de liaison, mais en tout cas la masse finale sera supérieure à n'importe lequel des premiers, mais inférieure à leur somme. Le rayonnement maximum peut prendre jusqu'à 5% de l'énergie lorsque les deux masses sont approximativement les mêmes. Si leur dos contient une énorme quantité d'énergie et qu'ils sont parallèles, alors ce pourcentage peut être augmenté à 11%. Mais si l'une des masses est bien supérieure à l'autre, le pourcentage baisse. Un trou noir d'une masse de 1 solaire, fusionnant avec un trou noir d'une masse de 1 000 000, perdra environ 0,0001% de son énergie par rayonnement.


L'idée de l'artiste de deux étoiles en orbite et se fusionnant progressivement, ce qui génère des ondes gravitationnelles. Il s'agit probablement d'une source de sursauts de rayons gamma de courte durée, ainsi que d'une source d'ondes gravitationnelles.

À la suite de l'approche et de la fusion de la spirale, rien à l'intérieur des trous noirs ne sort, cet espace-temps se déforme sous l'influence de l'énergie gravitationnelle potentielle. Dans la dernière phase de la fusion, l'horizon des événements prend la forme la plus efficace - une sphère ou une sphéroïde. C'est dans la toute dernière fraction de seconde que la majeure partie de l'énergie est émise, mais aucune particule de l'intérieur de l'horizon des événements ne sort. Les prédictions d'Einstein sont très précises, c'est pourquoi nous avons pu détecter ces ondes: nous avons calculé le signal à attendre. Notre intuition peut nous manquer, mais il y a des équations pour cela. Même lorsque nos instincts nous trompent, les calculs nous donnent une vérité scientifique.

Ethan Siegel - astrophysicien, vulgarisateur scientifique, auteur de Starts With A Bang! Il a écrit les livres «Beyond the Galaxy» [ Beyond The Galaxy ] et «Tracknology: the science of Star Trek» [ Treknology ].