Sélection de modèles entre les symétries BMS originales (lignes pointillées) et les symétries BMS étendues (lignes pleines) avec le télescope Einstein (ET) et le Cosmic Explorer (CE). La preuve du groupe de symétrie simulé (logarithme du facteur de Bayes) est montrée en fonction du temps d’observation. Crédit : Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.241401
Comme le prévoit la théorie de la relativité générale, le passage d’ondes gravitationnelles peut entraîner un changement mesurable de la position relative des objets. Ce phénomène physique, connu sous le nom de mémoire des ondes gravitationnelles, pourrait être exploité pour étudier à la fois les ondes gravitationnelles et l’espace-temps.
Des chercheurs de l’Institut scientifique du Gran Sasso (GSSI) et de l’École internationale d’études avancées (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 inchangées après des transformations spécifiques. Leur article, publié dans Physical Review Letters, suggère que ces symétries pourraient être sondées par l’observation de la mémoire de déplacement et de spin.
« Depuis longtemps, je suis curieux du phénomène de la mémoire des ondes gravitationnelles et du lien entre la physique des basses énergies et la mécanique quantique », a déclaré Boris Goncharov, coauteur 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 qu’il discutait de la mémoire des ondes gravitationnelles. J’ai ensuite appris l’existence du « 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 des sources d’ondes gravitationnelles.
Le théorème des gravitons mous de Weinberg et le « triangle infrarouge » sont des formulations mathématiques qui décrivent le même phénomène physique : la mémoire des ondes gravitationnelles. Dans le cadre de leur récente étude, Goncharov et ses collègues ont cherché à explorer la possibilité d’exploiter la mémoire des ondes gravitationnelles pour sonder les symétries de l’espace-temps.
« Ce phénomène joue un rôle dans la tentative actuelle de décrire une théorie centenaire, insubmersible et pourtant incompatible avec le monde microscopique, la théorie de la gravité d’Einstein – la relativité générale – comme une théorie quantique des champs à la limite asymptotique de l’espace-temps », explique Goncharov.
« Cette approche de l’unification de la physique me semble substantielle et prometteuse ; je la trouve très excitante. Notre projet spécifique a vu le jour lorsque nous avons discuté des nouvelles avancées dans ce domaine avec le professeur Laura Donnay, coauteur de la publication.
Lorsqu’ils ont examiné la littérature antérieure dans ce domaine, les chercheurs ont constaté qu’un nombre croissant de symétries spatio-temporelles distantes étaient discutées, mais qu’il n’était pas clair lesquelles de ces symétries et des termes de mémoire correspondants existaient dans la nature. Bien que plusieurs physiciens aient exploré la possibilité de détecter la mémoire des ondes gravitationnelles, Goncharov et ses collègues n’étaient pas sûrs de la physique qui pourrait être contrainte par leurs mesures.
« L’idée que nous pouvions tester ces symétries spatio-temporelles était au cœur de notre étude », explique Goncharov. « Jan Harms et moi-même sommes membres de la collaboration 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 européen d’ondes gravitationnelles au sol de la prochaine génération prévu pour les années 2030. »
Jusqu’à présent, les chercheurs n’avaient pas encore introduit d’approche conventionnelle pour mesurer les symétries de l’espace-temps par l’observation des effets de mémoire des ondes gravitationnelles. Le récent article de Goncharov et de ses collègues visait à combler cette lacune apparente dans la littérature.
« De nombreux travaux antérieurs importants se sont concentrés sur (a) la prédiction du moment et des instruments avec lesquels nous pourrons détecter divers termes de mémoire des ondes gravitationnelles, (b) la manière de calculer les effets de mémoire des ondes gravitationnelles analytiquement ou en utilisant la relativité numérique, et (c) la manière dont les 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 être une lacune dans la littérature ».
Les travaux récents de ces chercheurs pourraient 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 spatio-temporelles, tout en soulignant les limites potentielles de l’approche qu’ils proposent, qui pourraient être résolues à l’avenir.
Dans l’ensemble, leur étude suggère que l’ensemble des 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 des données recueillies par divers détecteurs d’ondes gravitationnelles.
Goncharov et ses collègues espèrent que leur article ouvrira d’autres discussions sur les symétries de l’espace-temps et la mémoire des ondes gravitationnelles, entre autres, au sein de leur communauté de recherche. Ces discussions pourraient ouvrir la voie à l’unification de diverses théories physiques.
« En ce moment, avec Sharon Tomson (une nouvelle doctorante de mon institut actuel, l’AEI à Hanovre, en Allemagne) et le Dr. Rutger van Haasteren, je commence à chercher la mémoire des ondes gravitationnelles avec les Pulsar Timing Arrays (PTA) ».
Les PTA sont des outils d’observation astronomique qui recueillent des signaux extrêmement stables et réguliers provenant de pulsars (c’est-à-dire d’étoiles à neutrons en rotation rapide), à l’aide de radiotélescopes sur Terre. Ces étoiles à neutrons se comportent comme des horloges très précises, car elles sont suffisamment sensibles pour capter 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 commun de trous noirs binaires supermassifs inspirant lentement dans l’univers proche. Le signal produit de lentes variations dans les temps d’arrivée des impulsions qui sont les plus importantes sur des échelles de temps allant de plusieurs années à plusieurs décennies », a ajouté Goncharov.
« Une fusion exceptionnelle de trous noirs binaires supermassifs dans une galaxie proche peut provoquer un sursaut d’ondes gravitationnelles avec mémoire, détectable par les PTA. Bien que de tels sursauts soient très rares, nous espérons extraire des informations utiles des données en imposant des limites à leur existence. »
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