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Une simulation de la collision de trous noirs plus réaliste que jamais

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Les superordinateurs de la NASA ont dû donner le meilleur d'eux-mêmes, mais les résultats sont à la mesure de leurs efforts. Les ingénieurs sont parvenus à modéliser en trois dimensions la collision de deux trous noirs, et ce avec une fidélité encore inégalée. Ces résultats théoriques devraient leur permettre d'identifier plus facilement dans les données des détecteurs les ondes gravitationnelles émises par les trous noirs en collision.

Image composite rayons X (bleu) et ondes radio (rose) de deux trous noirs tournant l'un autour de l'autre (Crédits : NASA)
Les superordinateurs de la NASA ont recréé en trois dimensions la collision de deux trous noirs, avec une précision inégalée (Crédits : Henze, NASA)

Voir la simulation (MPG - 7,45 Mo)

Les trous noirs : un casse-tête pour les simulations

Les trous noirs sont des régions de l'espace où la gravité est telle que rien ne peut leur échapper, pas même la lumière. Dans la zone qu'ils occupent, l'espace est altéré, le temps peut freiner sa course voire s'immobiliser, et la densité tendre vers l'infini. Des conditions limites telles que leur modélisation se révèle un véritable casse-tête, qui est déjà venue à bout de bien des simulations informatiques.

Les équations régissant la collision de deux trous noirs sont données par la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein. Cette dernière fait appel au calcul tensoriel, qu'il est difficile de traduire en instructions informatiques. Ainsi, l'équation tensorielle la plus simple requiert déjà plusieurs milliers de lignes de codes ! Mais l'équipe du Goddard Space Flight Center a trouvé un moyen de les formuler plus simplement, pour modéliser sans peine la collision de deux trous noirs. Ils ont notamment fait appel aux travaux de physiciens du Texas à Brownsville, qui ont élaboré un algorithme simple à utiliser, pouvant effectuer des calculs précis relatifs aux ondes gravitationnelles.

Le système SGI Altix compte 10.240 processeurs Intel Itanium, et tourne sous environnement Linux Il n'en fallait pas moins pour simuler la collision de deux trous noirs ! (Crédits : Trower, NASA)

Des simulations d'une fidélité encore inégalée

A l'image des vagues sur un bassin, les trous noirs dessinent des ondes dans l'espace-temps, cet espace à quatre dimensions imaginé par Einstein. Ces vagues gravitationnelles peuvent présenter différentes longueurs d'ondes et diverses amplitudes, en fonction des masses en présence.

Les simulations ont été menées dans un centre de recherche de la NASA, situé près de Mountain View. Les superordinateurs de l'Agence américaine sont parvenus à modéliser en trois dimensions les ondes gravitationnelles émergeant de deux trous noirs de masses égales courant à la collision. Les simulations sont les plus longues, et les plus fidèles jamais obtenues. En effet, quelque soit le point de départ que les ingénieurs considéraient (entre la cinquième et la deuxième rotation avant le "choc"), les résultats et la forme des vagues observées demeuraient les mêmes. C'est la première fois qu'une telle stabilité est obtenue.

Forte de ce succès, l'équipe du centre Goddard se penche à présent sur l'étude de trous noirs aux masses distinctes.

Cette simulation permettra de tester la théorie de la relativité générale d'Einstein, mais devrait surtout aider les détecteurs comme LISA (Laser Interferometer Space Antenna) et LIGO (Laser interferometer Gravitational-Wave Observatory) à reconnaître dans leurs données les subtiles ondes gravitationnelles, et à surprendre deux trous noirs en pleine collision. Autant dire le Saint Graal pour nombre d'astronomes !

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