Le 11 février 2016, un « gazouillis » entendu partout dans le monde entier est parvenu aux oreilles de Sizheng Ma, qui était alors étudiant de premier cycle en physique en Chine.
Des scientifiques de l’Observatoire d’ondes gravitationnelles par interférométrie laser « Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) » ont diffusé ce son pour annoncer la toute première détection d’ondes gravitationnelles, causées par la fusion lointaine de deux trous noirs.
Ces « ondulations » de l’espace-temps, provoquées par les collisions d’objets massifs, avaient été prédites par Albert Einstein en 1916. Il a fallu un siècle de développement technologique pour enfin les détecter.
Cet événement a changé le cours de la vie de Ma. Il a décidé d’étudier ces signaux fascinants et a entrepris un doctorat à l’Institute de technologie de Californie (Caltech), qui avait participé à la découverte de LIGO. Il a ensuite rejoint l’Institut Périmètre, où il est actuellement chercheur postdoctoral au sein du groupe de gravité forte.
Aujourd’hui, Ma et ses collègues Neil Lu, Ornella J. Piccinni, Yanbei Chen et Ling Sun, ont apporté une contribution majeure à notre compréhension des fusions de trous noirs et de leurs conséquences. Ils ont révélé que les ondes gravitationnelles portent l’empreinte directe de l’horizon des événements et des propriétés de l’objet résiduel. Leurs résultats été publiés dans la revue Nature le 24 juin.
L’article décrit la détection d’une signature d’onde gravitationnelle distinctive, résultant de la provenant de l’« entraînement des référentiels » de l’espace-temps » près de l’horizon de la fusion d’un système binaire de trous noirs, capturée par LIGO le 14 janvier 2025.
« En mesurant cette caractéristique spécifique lors d’un événement d’onde gravitationnelle récent, nous avons pu toucher, en quelque sorte, à cet environnement de forte gravité intense, une région de l’espace-temps très déformée », explique Ma.
Bien que rien ne puisse s’échapper du centre d’un trou noir, l’espace qui l’entoure est tumultueux. Un trou noir peut générer un vortex qui agite et perturbe l’espace-temps environnant. Imaginez une machine à mélanger, comme un axe tournant rapidement dans une cuve de miel, qui entraîne le miel dans son sillage. Sauf qu’ici, le miel représente l’espace-temps lui-même, entraîné par ce tourbillon.
Lorsque deux monstres de cette ampleur entrent en collision, c’est comme la fusion de deux ouragans. À mesure que les trous noirs se rapprochent de plus en plus l’un de l’autre, comme des danseurs sur glace tournoyant l’un autour de l’autres tournant de plus en plus vite, la torsion de l’espace-temps devient plus forte.
« Plus ils se rapprochent, plus les oscillations sont fortes, et à la fin, le mouvement orbital est essentiellement dominé par cet effet d’entraînement des référentiels », explique Ma.
L’événement GW250114 de 2025 n’était pas trop différent de la première détection d’ondes gravitationnelles par LIGO en 2016. Les deux événements impliquaient des trous noirs situés à environ 1,3 milliard d’années-lumière et, dans les deux cas, ces trous noirs avaient une masse de 30 à 40 fois celle de notre soleil.
Mais le signal capté lors de l’événement récent était nettement plus fort et plus net, grâce à dix années de progrès technologiques qui ont permis de réduire le bruit du signal. Cela a permis à Ma et ses collègues de tester leurs prédictions théoriques décrivant la signature ondulatoire caractéristique de l’entraînement des référentiels sur un événement de fusion réel.
Leur théorie correspondait parfaitement aux observations faites lors de l’événement.
« Avant cet article, nous avions publié un article théorique expliquant comment interpréter ce signal. Puis, avec cette compréhension théorique, nous avons cherché à détecter ce signal lors du récent événement d’ondes gravitationnelles. Nous avons eu beaucoup de chance de l’observer, car cet événement était le plus puissant à ce jour », explique Ma.
Ma est fasciné par les théories d’Albert Einstein depuis qu’il était écolier et qu’il grandissait à Xi’an, dans le centre-nord de la Chine, où se trouve la célèbre collection de statues en argile connue sous le nom d’Armée de terre cuite. Cette fascination a fait naître en lui une passion pour la physique et l’a conduit à vouloir étudier le régime de gravité forte des trous noirs.
Ce que Ma et ses collègues ont découvert dans la signature de la fusion de trous noirs a confirmé les théories d’Einstein. « Nous avons confirmé une fois de plus que la relativité générale est extrêmement précise. On peut observer ce signal d’onde gravitationnelle et le superposer à la prédiction d’Einstein; les deux concordent parfaitement », explique Ma. « Si vous y réfléchissez, c’est incroyable. »
Ce qui est tout aussi important, c’est que Ma et ses collègues ont mis au point un « outil » permettant de sonder ces régions de forte gravité situées près de l’horizon des fusions de trous noirs. Ma précise que le travail théorique, qui consistait à interpréter ce signal, a été la partie la plus complexe.
« Il faut savoir extraire la physique du signal, comprendre la physique qui déclenche l’oscillation », explique-t-il. Dans un premier temps, l’étape théorique, nous avons établi le lien entre la physique de la fusion et l’onde gravitationnelle. Grâce à cette compréhension, nous avons ensuite pu passer à la deuxième étape et rechercher ce signal spécifique. Et nous l’avons trouvé. »
Dans quelques mois, Ma entamera son deuxième poste de chercheur postdoctoral à l’Université Johns Hopkins.
Il a récemment été sélectionné l’un des lauréats du très sélectif programme de bourses Hubble de la NASA « NASA Hubble Fellowship Program (NHFP) », qui permet à des chercheurs postdoctoraux exceptionnels de mener des recherches indépendantes dans tous les domaines de l’astrophysique de la NASA, en recourant à la théorie, aux observations, aux simulations, à l’expérimentation ou au développement d’instruments.
Ma espère continuer à perfectionner cet outil pour comprendre les signaux des ondes gravitationnelles issues de la fusion de trous noirs.
« En ce moment, je prépare un article de suivi afin d’établir des bases théoriques solides. Je pense que nous parviendrons à démontrer comment ces signaux évoluent au fil du temps. Le premier modèle était très simplifié, mais nous pouvons maintenant consolider l’ensemble du calcul pour que tout soit exact. »
Bien que la relativité générale d’Einstein ait été confirmée par ces travaux récents, de nombreux scientifiques espèrent découvrir des failles dans la théorie qui mèneront à une nouvelle physique, leur permettant ainsi de dépasser les limites d’Einstein et de mieux comprendre comment la gravité s’articule avec la théorie quantique. Les horizons des fusions de trous noirs, où la gravité est la plus forte, sont de bons candidats pour cela, et l’outil que Ma et ses collègues ont développé offre aux scientifiques une meilleure sonde pour explorer ces régions.
À propos de l’IP
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