Une décennie après le moment historique où les scientifiques ont détecté directement pour la première fois des ondes gravitationnelles, confirmant ainsi une prédiction centenaire d'Albert Einstein, la communauté astrophysique célèbre une autre réussite remarquable. En analysant un signal provenant de la collision de deux trous noirs massifs, une équipe internationale de chercheurs, comprenant des experts de l'Université Northwestern, a fourni la preuve la plus solide à ce jour du théorème de la surface des trous noirs, formulé en 1971 par le légendaire Stephen Hawking. Cette avancée non seulement célèbre le dixième anniversaire d'une nouvelle ère en astronomie, mais approfondit également notre compréhension de l'un des objets les plus énigmatiques de l'univers.

Le signal, enregistré sous la désignation GW250114, est considéré comme le signal de fusion de trous noirs le plus pur et le plus clair jamais enregistré par le réseau de détecteurs LVK, qui comprend l'instrument américain LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), l'instrument européen Virgo et l'instrument japonais KAGRA. C'est précisément la clarté exceptionnelle de ce signal qui a permis aux scientifiques de tester le postulat de Hawking avec une précision incroyable.

Confirmation de l'héritage de Hawking

Le théorème de la surface des trous noirs de Stephen Hawking est, dans son essence, d'une simplicité stupéfiante, mais il a des implications profondes. Il stipule que la surface totale de l'horizon des événements des trous noirs dans un système fermé ne peut jamais diminuer. En d'autres termes, lorsque deux trous noirs entrent en collision et fusionnent, la surface du nouveau trou noir, plus grand, doit être égale ou supérieure à la somme des surfaces des deux trous noirs d'origine. Cette loi rappelle incroyablement la deuxième loi de la thermodynamique, qui stipule que l'entropie totale (une mesure du désordre) dans un système isolé augmente toujours ou reste la même.

C'est précisément cette analogie qui a conduit Hawking et d'autres physiciens à réfléchir au lien profond entre la gravité, la thermodynamique et la mécanique quantique. Pendant longtemps, on a cru qu'il était impossible de vérifier expérimentalement ce théorème. Cependant, avec l'avènement de l'astronomie des ondes gravitationnelles, ce qui relevait autrefois de la physique théorique est maintenant devenu une réalité mesurable.

Lors de la fusion de trous noirs, un drame cosmique complexe se déroule. Les masses s'additionnent, ce qui conduit naturellement à une augmentation de la surface. En même temps, le système perd une énorme quantité d'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles, et le trou noir nouvellement formé peut commencer à tourner beaucoup plus vite, ce qui, selon les équations de la relativité générale, peut entraîner une diminution de sa surface. Hawking a prouvé mathématiquement que, malgré ces effets contraires, le résultat final doit toujours être une augmentation de la surface totale. La détection de GW250114 a permis aux scientifiques d'« entendre » et de mesurer ce processus pour la première fois, fournissant une confirmation empirique et sans ambiguïté du théorème de Hawking.

L'analyse des données a montré que les trous noirs initiaux avaient une surface totale d'horizon des événements d'environ 240 000 kilomètres carrés, ce qui correspond à peu près à la superficie de l'État américain de l'Oregon. Après leur danse cosmique et leur fusion finale, le trou noir nouvellement formé avait une surface impressionnante de 400 000 kilomètres carrés, ce qui correspond à la superficie de la Californie. L'augmentation était claire et mesurable, en parfait accord avec les prédictions.

La décennie qui a changé l'astronomie

Avant le 14 septembre 2015, toute notre connaissance de l'univers était basée sur l'observation du rayonnement électromagnétique – des ondes radio aux rayons gamma. En ce jour historique, les détecteurs LIGO ont enregistré le premier signal, des ondes dans le tissu même de l'espace-temps, qui avaient voyagé 1,3 milliard d'années pour atteindre la Terre. Le signal portait l'histoire de la collision de deux trous noirs, un événement qui n'était jusqu'alors qu'une possibilité théorique. Ce fut le début d'une révolution.

Depuis cette première découverte, la collaboration LVK a enregistré des centaines d'événements, fournissant environ 300 mesures de masses d'objets compacts. Chaque nouvelle observation a apporté de nouvelles connaissances :

• La première fusion d'étoiles à neutrons : Un événement qui, contrairement aux fusions de trous noirs, était également visible dans le spectre électromagnétique, ouvrant une fenêtre sur l'astronomie multi-messagers et confirmant que de telles collisions sont la source de nombreux éléments lourds dans l'univers, comme l'or et le platine.


• Fusions d'un trou noir et d'une étoile à neutrons : Confirmation de l'existence de ces systèmes binaires « mixtes ».


• Fusions asymétriques : Des collisions dans lesquelles un trou noir est considérablement plus massif que l'autre, ce qui pose des défis aux modèles théoriques de formation des systèmes binaires.


• Combler le « fossé de masse » : La découverte d'objets ayant des masses comprises entre les étoiles à neutrons les plus lourdes connues (environ 2,5 masses solaires) et les trous noirs les plus légers connus (environ 5 masses solaires). L'existence de ces objets remet en question l'idée d'une frontière claire entre ces deux types de corps cosmiques.


• Une fusion record de masse : La détection d'une fusion qui a abouti à un trou noir d'une masse 225 fois supérieure à celle du Soleil, fournissant les premières preuves de l'existence de trous noirs de masse intermédiaire.

Les chercheurs de l'Université Northwestern et de leur Centre d'Exploration et de Recherche Interdisciplinaires en Astrophysique (CIERA), dirigés par la professeure Vicky Kalogera, ont joué un rôle clé dans nombre de ces jalons. Leur travail sur l'analyse des données et l'interprétation astrophysique a été inestimable pour comprendre la physique derrière ces événements cosmiques extrêmes.

Technologie à la limite du possible

Le rythme accéléré des découvertes a été rendu possible par des améliorations constantes de la sensibilité des détecteurs du réseau LVK. Ce sont des merveilles d'ingénierie de précision qui utilisent des technologies quantiques de pointe. Les ondes gravitationnelles, en traversant le détecteur, déforment l'espace-temps de quantités infinitésimales – parfois moins d'un dix-millième de la largeur d'un proton. C'est environ 700 billions de fois plus petit que l'épaisseur d'un cheveu humain. Détecter des changements aussi subtils nécessite une technologie capable d'éliminer presque toutes les sources de bruit imaginables, des secousses sismiques aux fluctuations thermiques dans les miroirs mêmes de l'interféromètre.

Ce sont précisément ces avancées technologiques qui ont permis au signal GW250114 d'être si clair. Dix ans de perfectionnement des instruments ont transformé ce qui était en 2015 un « gazouillis » à peine perceptible en un son clair porteur d'une mine d'informations sur les propriétés des trous noirs avant, pendant et après la fusion.

Un regard vers l'avenir de l'astronomie gravitationnelle

La communauté scientifique ne reste pas inactive. Les plans pour l'avenir sont encore plus ambitieux. La construction d'un troisième observatoire LIGO, LIGO India, est en cours et améliorera considérablement la capacité du réseau à localiser avec précision les sources d'ondes gravitationnelles dans le ciel. Une localisation plus précise est cruciale pour pointer rapidement les télescopes optiques et autres vers la source, ce qui est d'une importance vitale pour l'astronomie multi-messagers.

En regardant encore plus loin dans l'avenir, des concepts de détecteurs de nouvelle génération sont en cours de développement. Le projet Cosmic Explorer aux États-Unis prévoit la construction de détecteurs avec des bras de 40 kilomètres de long (contre 4 kilomètres pour les détecteurs LIGO actuels). En Europe, le projet Einstein Telescope prévoit la construction d'un immense interféromètre souterrain avec des bras de plus de 10 kilomètres de long. Des observatoires de cette envergure seront si sensibles qu'ils pourront « entendre » les fusions de trous noirs jusqu'aux tout débuts de l'univers, nous donnant un aperçu de la formation des premières étoiles et galaxies.

Une décennie d'astronomie gravitationnelle a transformé notre compréhension de l'univers. La confirmation du théorème de Hawking n'est pas seulement le couronnement de cette décennie, mais aussi un indicateur que nous ne sommes qu'au début d'un voyage d'exploration des secrets les plus profonds de la gravité et du cosmos. Chaque nouveau signal enregistré par les détecteurs ouvre un nouveau chapitre de l'histoire de l'univers.