Une méta-analyse en cours des signaux d’ondes gravitationnelles pourrait bientôt prouver que l’espace se souvient : des empreintes mémorielles permanentes dans l’espace-temps pourraient bientôt être détectées, ce qui validerait la prédiction de Nassim Haramein et de notre équipe de recherche selon laquelle l’espace possède la propriété de mémoire, dans laquelle nous avons décrit comment l’empreinte informationnelle de la mémoire dans l’espace est ce qui génère holographiquement le temps – c’est-à-dire que l’espace-temps 4D est une projection holographique d’un réseau d’information de voxels 3D – ainsi que les propriétés d’ordonnancement sous-jacentes à la dynamique de la matière organisée. L’effet de mémoire des ondes gravitationnelles est une prédiction de la relativité générale, et les physiciens ont conçu un test de cet intéressant effet de mémoire de l’espace par le biais d’une méta-analyse des données des détecteurs d’ondes gravitationnelles. La présence d’effets de mémoire dans les signaux d’ondes gravitationnelles permet non seulement de tester un aspect important de la relativité générale, mais représente également une contribution potentiellement non négligeable à la forme de l’onde pour certains événements d’ondes gravitationnelles. En outre, les propriétés de la mémoire de l’espace auront des implications considérables, allant de l’exploration des théories de la gravité quantique et de la physique unifiée à des applications potentielles dans les technologies de télécommunication.
Les ondes gravitationnelles, oscillations ou plus familièrement « ondulations » dans le milieu substantiel de l’espace-temps, ont été prédites pour la première fois par la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein il y a plus d’un siècle. Ces ondes peuvent être omniprésentes, ce que l’on appelle le bruit de fond des ondes gravitationnelles (GWB), similaire au bruit de fond des micro-ondes cosmiques (CMB). Les ondes gravitationnelles détectées à ce jour sont générées par certains des processus les plus violents et les plus énergétiques du cosmos, tels que la fusion de trous noirs et d’étoiles à neutrons. La capacité de détecter et d’analyser les ondes gravitationnelles ouvre un tout nouveau champ d’observation permettant potentiellement aux scientifiques de sonder certaines des régions les plus énigmatiques de notre univers, comme la surface des étoiles à neutrons et l’horizon des trous noirs. Les ondes gravitationnelles pourraient même permettre de répondre à des questions fondamentales en physique. L’une des possibilités d’étude des ondes gravitationnelles est de voir si l’espace lui-même a une mémoire, ce que l’on appelle l’effet de mémoire gravitationnelle. Phénomène moins connu lié aux ondes gravitationnelles, l’effet de mémoire gravitationnelle a récemment attiré l’attention de la communauté scientifique, et des propositions ont été formulées pour analyser les ondes gravitationnelles afin de détecter d’éventuels effets de mémoire de l’espace. Cet article se penche sur le concept intrigant de la mémoire gravitationnelle et sur ses implications pour notre compréhension des forces fondamentales de l’univers.
Comprendre les ondes gravitationnelles
Les ondes gravitationnelles sont des perturbations de la courbure de l’espace-temps qui se propagent sous forme d’ondes à la vitesse de la lumière. Elles sont générées lorsque des objets célestes massifs accélèrent de manière asymétrique, entraînant des oscillations du champ gravitationnel qui rayonnent vers l’extérieur. Ces ondulations transportent des informations sur leurs origines et voyagent à travers l’univers, ce qui permet aux astronomes de sonder le cosmos d’une manière unique.
L’effet de mémoire gravitationnelle
L’effet de mémoire gravitationnelle est une manifestation de la modification persistante des distances relatives entre les particules de test due au passage des ondes gravitationnelles. Contrairement à la nature oscillatoire des ondes gravitationnelles, l’effet de mémoire produit un changement permanent dans la séparation des objets sur son passage. Ce phénomène est une conséquence de la nature non linéaire de la gravité dans la théorie de la relativité générale d’Einstein.
Types de mémoire gravitationnelle
L’effet de mémoire gravitationnelle peut être classé en deux types : positif et négatif. Une mémoire positive se traduit par une augmentation de la séparation des particules testées, tandis qu’une mémoire négative entraîne une diminution. Ces changements se produisent le long de la direction de propagation de l’onde gravitationnelle.
Historique de l’analyse empirique des ondes gravitationnelles et de la prédiction de l’effet de mémoire
Joseph Weber, physicien américain, a affirmé avoir découvert le rayonnement gravitationnel dans les années 1960 [1]. Il a mis au point des détecteurs extrêmement sensibles, appelés barres de Weber, conçus pour détecter les minuscules vibrations provoquées par le passage des ondes gravitationnelles. Son affirmation était basée sur les observations faites à l’aide de ces détecteurs.
Les travaux de Weber ont suscité beaucoup d’attention et d’enthousiasme au sein de la communauté scientifique et dans les médias. La découverte potentielle du rayonnement gravitationnel était révolutionnaire, car elle aurait permis de confirmer expérimentalement une prédiction fondamentale de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein.
Les expériences de Weber portaient sur des cylindres d’aluminium, ou « barres de Weber », conçus pour résonner à des fréquences spécifiques lorsqu’ils étaient exposés à des ondes gravitationnelles. Weber a affirmé avoir détecté des ondes gravitationnelles émanant de divers événements cosmiques, notamment des restes de supernova et des systèmes stellaires binaires.
Cependant, au fil du temps, le scepticisme quant à la validité des résultats de Weber a commencé à croître. D’autres chercheurs ont tenté de reproduire ses résultats, mais ils ont eu du mal à le faire avec le même niveau de cohérence et de signification statistique. Des physiciens tels que Yakov Zeldovich, éminent physicien théoricien et cosmologiste soviétique, qui a joué un rôle déterminant dans la formulation de la manière dont la résonance des ondes peut convertir les ondes électromagnétiques en ondes gravitationnelles, ont effectué des calculs qui démontraient explicitement que les barres de Weber devaient être 100 millions de fois plus sensibles que ce qui avait été rapporté afin de détecter même les plus grandes sources d’ondes gravitationnelles théoriquement possibles, comme celles d’un amas d’étoiles super-dense à forte interaction.
Cependant, l’analyse utilisée pour prouver que Weber avait tort a conduit à une prédiction remarquable. Dans les années 1970, en collaboration avec son collègue Alexander Polnarev, Zeldovich a prédit que le passage d’ondes gravitationnelles devrait entraîner une modification permanente de la séparation relative des particules de test, comme un enregistrement ou une mémoire du rayonnement gravitationnel. Leurs travaux ont jeté les bases de la compréhension théorique de l’effet de mémoire gravitationnelle, en soulignant son importance potentielle dans l’étude des ondes gravitationnelles et ses implications pour la physique fondamentale. L’analyse théorique de Zeldovich et Polnarev a fourni un cadre permettant aux chercheurs ultérieurs d’explorer plus en détail ce phénomène intriguant.
Les connaissances de Zeldovich sur le comportement des ondes gravitationnelles et leur impact sur l’espace-temps ont permis de mieux comprendre comment ces ondes peuvent induire des modifications durables de la géométrie de l’espace. Ce travail de pionnier a contribué au développement des efforts expérimentaux visant à détecter et à étudier l’effet de mémoire gravitationnelle.
Bien que le rôle de Zeldovich ait été principalement théorique, ses contributions ont été fondamentales pour notre compréhension des ondes gravitationnelles et de leurs effets associés, y compris la mémoire gravitationnelle. Les validations expérimentales ultérieures de l’effet de mémoire gravitationnelle ont confirmé l’exactitude des prédictions de Zeldovich et Polnarev, consolidant leur place dans l’histoire de la recherche sur les ondes gravitationnelles.
Pour Weber, plusieurs facteurs ont contribué aux doutes entourant ses affirmations :
- Problèmes de réplication : D’autres groupes de recherche ont eu du mal à reproduire les résultats de Weber, ce qui a suscité des inquiétudes quant à la fiabilité et à la reproductibilité de ses résultats expérimentaux.
- Signification statistique : La signification statistique des résultats de Weber a fait l’objet d’un débat. Les signaux détectés étaient souvent proches du seuil de détectabilité, ce qui a soulevé des questions quant à la fiabilité des données.
- Bruit et interférences : La sensibilité des instruments de Weber les rendait sensibles à diverses sources de bruit et d’interférences, notamment l’activité sismique et les fluctuations thermiques. Distinguer les véritables signaux d’ondes gravitationnelles du bruit s’est avéré être un défi de taille.
- Absence de corrélation : Les observations de Weber n’ont pas été systématiquement corrélées avec les événements astrophysiques attendus qui auraient dû produire des ondes gravitationnelles, ce qui a jeté le doute sur la légitimité de ses détections.
Au fil des années, les progrès réalisés dans les technologies de détection des ondes gravitationnelles, telles que l’Observatoire d’ondes gravitationnelles par interféromètre laser (LIGO), ont apporté des preuves plus précises et plus fiables de l’existence des ondes gravitationnelles. Le succès de LIGO, qui a détecté directement les ondes gravitationnelles en 2015 grâce à l’observation de la fusion de trous noirs, a effectivement discrédité les affirmations de Weber.
Rétrospectivement, si les travaux de Joseph Weber ont joué un rôle important dans la mise en place des bases de la détection des ondes gravitationnelles, les progrès technologiques ultérieurs et le succès d’expériences plus précises ont modifié notre compréhension des ondes gravitationnelles et renforcé l’exactitude de la théorie générale de la relativité d’Einstein.
Effet de mémoire du trou noir
L’étude de l’affirmation de Weber concernant la détection des ondes gravitationnelles et l’élucidation et la prédiction ultérieures des effets de mémoire des ondes gravitationnelles par Yakov Zeldovich et Alexander Polnarev les ont conduits à une autre prédiction connexe d’un effet similaire se produisant dans la géométrie spatio-temporelle des horizons des événements des trous noirs – un « effet de mémoire des trous noirs ». Cet effet est une conséquence de la nature non linéaire de la relativité générale et survient lorsque des ondes gravitationnelles traversent une région de l’espace proche d’un trou noir, provoquant une distorsion de la géométrie de l’espace-temps. Cette distorsion entraîne une modification des orbites et de la dynamique des particules à proximité du trou noir. Même après le passage des ondes gravitationnelles, ce changement persiste, créant une mémoire durable dans la structure de l’espace-temps.
En termes plus techniques, l’effet de mémoire du trou noir est lié à ce que l’on appelle les « symétries asymptotiques » de la gravité. Il s’agit de transformations qui affectent la géométrie de l’espace-temps à l’infini et qui peuvent laisser une marque permanente sur l’espace entourant un trou noir. Il s’agit d’un domaine d’étude important de la physique des ondes gravitationnelles, qui aide les chercheurs à comprendre l’impact durable des ondes gravitationnelles sur la structure de l’univers et ses implications pour l’astrophysique et la physique fondamentale.
Détection de l’effet de mémoire gravitationnelle non linéaire
En combinant les données des détecteurs d’ondes gravitationnelles – de grands interféromètres laser extrêmement sensibles -, de LIGO, du détecteur Virgo en Italie et du détecteur Kamioka au Japon, il pourrait être possible d’extraire de la méta-analyse des données un signal révélateur des effets de mémoire des ondes gravitationnelles [2]. Cette analyse est en cours, et de nouvelles observations arrivent chaque semaine, portant le total actuel à plus de 100. À ce rythme, les expérimentateurs espèrent détecter la mémoire gravitationnelle d’ici quelques années. Il existe également des propositions récentes visant à détecter l’effet de mémoire gravitationnelle dans LISA à l’aide de déclencheurs provenant de détecteurs au sol, ce qui permettra d’éviter le problème du rapport signal/bruit (RSB) qui se pose parce que l’effet de mémoire est inférieur d’un ou deux ordres au niveau de bruit de fond du détecteur [3], et d’utiliser l’observatoire spatial d’ondes gravitationnelles proposé par TianQin, conçu pour détecter et étudier les ondes gravitationnelles avec une grande précision et une grande sensibilité [4].
TianQin est conçu comme un observatoire spatial d’ondes gravitationnelles qui vise à observer les ondes gravitationnelles à basses fréquences (de l’ordre du millihertz à l’ordre du hertz). Il complète les observatoires terrestres tels que LIGO et Virgo, qui détectent les ondes gravitationnelles à plus haute fréquence. L’observatoire TianQin repose sur une constellation de trois engins spatiaux formant un triangle équilatéral dans l’espace. Ces engins seront équipés de lasers et d’accéléromètres très sensibles pour mesurer les minuscules déplacements causés par le passage des ondes gravitationnelles. La gamme de fréquences inférieure de TianQin lui permet de détecter les ondes gravitationnelles provenant de différentes sources, telles que les systèmes binaires massifs (par exemple, la fusion de trous noirs supermassifs), les inspirations à rapport de masse extrême (par exemple, un petit objet compact en orbite autour d’un trou noir massif) et d’autres événements astrophysiques.
TianQin est un projet de détecteur d’ondes gravitationnelles basé dans l’espace, comme l’antenne spatiale de l’interféromètre laser (LISA), illustrée ci-dessus dans l’impression d’artiste. Crédit : ESA
Dans l’espace, TianQin est à l’abri des bruits sismiques et autres perturbations qui peuvent affecter les détecteurs au sol. Cela lui permet de détecter les ondes gravitationnelles de basse fréquence avec une sensibilité et une précision accrues. Au cours de ses cinq années d’exploitation, environ 0,5 à 2,0 des signaux d’ondes gravitationnelles qui ont pu être détectés par TianQin peuvent contenir un effet de mémoire de déplacement avec des rapports SNR supérieurs à 3. Cela suggère que la probabilité que TianQin détecte directement l’effet de mémoire de déplacement est faible, mais pas totalement négligeable.
Implications et applications
L’étude de l’effet de mémoire gravitationnelle permet aux physiciens de sonder la nature fondamentale de la gravité et son comportement dans des conditions extrêmes. Ce phénomène promet d’améliorer notre compréhension de l’interaction complexe entre la gravité et les autres forces fondamentales de l’univers.
Les ondes gravitationnelles, y compris leur effet de mémoire, constituent un outil puissant pour l’étude des phénomènes astrophysiques. Elles permettent de mieux comprendre la dynamique des systèmes binaires compacts, les propriétés des trous noirs qui fusionnent, les étoiles à neutrons et l’univers primitif. La mémoire gravitationnelle peut être un complément précieux à notre boîte à outils d’observation pour comprendre les événements cosmiques.
- Physique fondamentale et compréhension de la gravité : La découverte et l’étude de l’effet de mémoire gravitationnelle pourraient contribuer de manière significative à notre compréhension de la physique fondamentale, en particulier de la gravité. Cet effet permet de tester et de vérifier la nature non linéaire des interactions gravitationnelles et de mettre en lumière la complexité du champ gravitationnel.
- Validation de la relativité générale : La mémoire gravitationnelle constitue une validation supplémentaire de la théorie de la relativité générale d’Einstein, qui a déjà remarquablement réussi à expliquer le comportement de la gravité et la courbure de l’espace-temps. La confirmation de l’effet de mémoire gravitationnelle renforcerait encore la crédibilité de la théorie.
- Nouvelles techniques de détection des ondes gravitationnelles : La détection et la caractérisation de l’effet de mémoire gravitationnelle nécessitent la mise au point de techniques de mesure sensibles. La recherche de telles techniques pourrait conduire à des avancées dans les technologies de détection des ondes gravitationnelles, ce qui pourrait améliorer notre capacité à étudier d’autres aspects de ces ondes et des événements qui les génèrent.
- Aperçu des événements astrophysiques extrêmes : L’étude de la mémoire gravitationnelle peut fournir des informations précieuses sur la nature des événements astrophysiques extrêmes qui génèrent des ondes gravitationnelles, tels que les fusions de trous noirs et les collisions d’étoiles à neutrons. La compréhension de la mémoire gravitationnelle associée à ces événements pourrait nous permettre d’approfondir notre compréhension de leur dynamique et des propriétés des corps célestes impliqués.
- Cosmologie et dynamique des premiers instants de l’univers : Les ondes gravitationnelles, y compris leur effet de mémoire, offrent un outil d’observation unique pour étudier l’univers primitif et sa dynamique. Les connaissances acquises grâce à l’étude de la mémoire gravitationnelle pourraient aider les chercheurs à acquérir une compréhension plus précise et plus détaillée des débuts du cosmos, notamment de sa formation et de son évolution.
- Innovation technologique et applications : La poursuite de la recherche sur la mémoire gravitationnelle peut entraîner des avancées technologiques dans le domaine des instruments et des dispositifs de mesure, ce qui pourrait déboucher sur des applications dépassant le cadre de l’astrophysique. Ces innovations pourraient trouver des applications dans les technologies de détection de précision et éventuellement influencer des domaines tels que les télécommunications et la navigation. Comme nous l’avons évoqué dans notre précédent article intitulé « Gravity Control via Wave Resonance » [4], des ondes gravitationnelles à haute fréquence pourraient être générées et utilisées pour des communications sans fil haute-fidélité absolument sans entrave, et la compréhension des perturbations subtiles mais permanentes induites dans la géométrie de l’espace-temps par ces oscillations énergétiques pourrait avoir des applications corollaires très intéressantes.
Perspective de la Science Unifiée
L’effet de perturbation quasi indétectable de la mémoire des ondes gravitationnelles est une indication relativement subtile de l’attribut de mémoire de l’espace découlant des propriétés substantielles du vide en tant que milieu physique, mais ce n’est pas le seul mécanisme par lequel les propriétés de mémoire de l’espace peuvent potentiellement se manifester. Par exemple, l’interaction gravitationnelle est proposée comme médiateur d’un comportement qui relève de la quintessence de la mécanique quantique, tel que l’intrication, comme dans la conjecture de correspondance holographique ERb=EPR de Susskind et Maldacena [5]. En tant que tel, le lien d’intrication de l’espace-mémoire peut faire partie intégrante de l’encodage des états naturels de la mémoire des qubits des systèmes en interaction qui nous entourent [6].
En ce qui concerne ce que l’étude des ondes gravitationnelles peut nous apprendre sur l’astrophysique, la cosmologie et la gravité quantique, il est important de noter que, dans le cadre de notre approche de la physique unifiée, les ondes gravitationnelles ne sont pas seulement générées par des événements massivement énergétiques tels que les fusions de trous noirs. Nous prévoyons que les ondes gravitationnelles seront un phénomène assez omniprésent se produisant à de nombreuses échelles. Les ondes gravitationnelles émanent probablement de particules fondamentales comme le proton et sont même générées à l’échelle de Planck. Le rôle de ce rayonnement oscillatoire de l’espace-temps lui-même contribuera de manière significative à la dynamique énergétique des systèmes matériels, et l’interaction complexe de sources radiatives à corps multiples générant des formes d’ondes d’interférence constructives et destructives et des résonances d’ondes pourrait très bien être un facteur important des propriétés de mémoire holographique de l’espace.
L’effet de mémoire gravitationnelle, une conséquence des ondes gravitationnelles, reste un aspect fascinant et relativement peu exploré de la relativité générale. À mesure que la technologie de détection des ondes gravitationnelles progresse, les scientifiques sont impatients de percer les mystères qui entourent ce phénomène. La découverte de l’effet de mémoire gravitationnelle élargit non seulement notre compréhension des forces fondamentales qui façonnent le cosmos, mais promet également une meilleure compréhension de la danse complexe de l’univers.
Références
[1] J. Weber, “Evidence for Discovery of Gravitational Radiation,” Phys. Rev. Lett., vol. 22, no. 24, pp. 1320–1324, Jun. 1969, doi: 10.1103/PhysRevLett.22.1320.
[2] P. D. Lasky, E. Thrane, Y. Levin, J. Blackman, and Y. Chen, “Detecting Gravitational-Wave Memory with LIGO: Implications of GW150914,” Phys. Rev. Lett., vol. 117, no. 6, p. 061102, Aug. 2016, doi: 10.1103/PhysRevLett.117.061102.
[3] S. Sun, C. Shi, J. Zhang, and J. Mei, “Detecting the gravitational wave memory effect with TianQin,” Phys. Rev. D, vol. 107, no. 4, p. 044023, Feb. 2023, doi: 10.1103/PhysRevD.107.044023.
[4] W. Brown, “Gravity Control via Wave Resonance.” Sep. 2023. Accessed: Oct. 16, 2023. [Online]. Available: https://www.resonancescience.org/blog/gravity-control-via-wave-resonance
[5] B. Kain, “Probing the Connection between Entangled Particles and Wormholes in General Relativity,” Phys. Rev. Lett., vol. 131, no. 10, p. 101001, Sep. 2023, doi: 10.1103/PhysRevLett.131.101001.
[6] W. Brown, “Unified Physics and the Entanglement Nexus of Awareness,” NeuroQuantology, vol. 17, no. 7, pp. 40–52, Jul. 2019, doi: 10.14704/nq.2019.17.7.2519.