Ondes gravitationnelles : théorie et observations
Pierre Vanhove, pour l'équipe physique gravitationnelle de l'IPhT, IPhT (UMR 3681) Réponse de : Équipe
Problématique et enjeux scientifiques : La détection des ondes gravitationnelles fournit une opportunité nouvelle de comprendre la physique de la gravitation dans un contexte nouveau. La phase d'attraction entre les deux corps massifs (trous noirs, et étoiles à neutrons) peut être analysée grâce à des calculs en perturbation. Les détections actuelles et la mise en route de nouveaux détecteurs terrestres et spatiaux nécessitent une très bonne connaissance analytique des formes d’ondes dans la phase spiralante.
Ce qui existe : L'analyse des formes d'ondes pour les ondes gravitationnelles est un sujet ancien, commencé avec les calculs historiques d'Einstein. La combinaison de l’approche post-Newtoniennes, de la relativité générale numérique, et Effective One Body, a permis l'identification des formes des ondes gravitationnelles. Ces techniques sont, depuis quelques années, accompagnées de techniques de calcul d'amplitudes dans un formalisme relativiste. Ces approches complémentaires apportent un éclairage nouveau sur les structures fondamentales. Tout d'abord, comprendre comment calculer les observables de la gravitation classique à partir d'amplitudes quantiques a nécessité une reformulation des calculs de perturbations en théorie des champs pour l'interaction entre deux corps massifs. Les calculs post-minkowskien donnent des expressions analytiques exactes à tous les ordres en la vitesse, ce qui réduit grandement l'incertitude théorique dans l'analyse des formes d'ondes.
Vers où l’on veut aller : Afin d'avoir une compréhension fine des observations, il est nécessaire d'obtenir des résultats analytiques pour les formes d’ondes en perturbation jusqu'à l'ordre 6 au moins. Il est aussi nécessaire de déterminer aussi précisément que possible la dépendance dans les spins des objets massifs. Les effets de marées sont aussi à prendre en compte de manière systématique. Évaluer ces effets demande de développer les techniques de calcul et de comprendre finement la relation entre les calculs d'amplitudes, et les divers phénomènes comme la radiation. Enfin, il est utile de penser la théorie de gravitation dans le cadre des théories effectives pour envisager une analyse plus générale de la physique gravitationnelle, au-delà de la théorie d'Einstein.
Verrous : Les difficultés principales sont l'inclusion du spin dans les calculs perturbatifs. La dépendance vis-à-vis du spin mène à des complications analytiques et calculatoires qui nécessitent de développer de nouvelles approches théoriques. Il y a aussi la difficulté conceptuelle de la compréhension du rayonnement gravitationnel comme l'effet mémoire non-linéaire. Il y a la question importante des théories au-delà de relativité générale. Dans le cadre des théories effectives il est possible d'analyser diverses extensions de la théorie d'Einstein de la gravité. À l'heure actuelle aucune des approches utilisées ne permet d'obtenir une résolution satisfaisante de ces problèmes.
Rupture : L'approche par les calculs d'amplitude a apporté à la physique de l’interaction gravitationnelle des systèmes binaires un point de vue conceptuel nouveau, et un formalisme qui permet d’accéder directement à des résultats invariants relativistes (valide à tous les ordres en la vitesse relative du système binaire). Ce point de vue permet de reformuler des questions fondamentales des interactions gravitationnelles dans le cadre familier des théories des champs effectifs, qui est le cadre théorique utilisé pour comprendre les interactions fondamentales. Réciproquement, comprendre cette physique gravitationnelle classique à partir d’une approche inspirée par la physique des hautes énergies a mené à une reformulation de la relation entre théorie quantique et classique.
Principales actions à envisager à court terme : Pour l'instant, la priorité est de réaliser une synergie entre les communautés des calculs post-newtonien, calculs post-minkowskien, et des analyses des formes d'ondes. Ceci passera par une organisation de collaborations entre les divers groupes de recherche à travers de mise en commun de moyens humains et informatiques. Taille de la communauté en France : Il y a en France de nombreux groupes travaillant sur les aspects théoriques des ondes gravitationnelles: CEA (IPhT, IRFU), Orsay (IJCLab), IHES, IAP, Meudon, APC. Il a actuellement deux types de profils dans la communauté française : celle de l'approche post-newtonienne qui a débuté il y a quelques décennies, et celle des calculs d'amplitudes plus récentes. Des liens se forment entre ces deux communautés, et une action est sûrement à entreprendre pour les renforcer et les favoriser. La taille estimée en France est d'une centaine de chercheurs.
Taille de la communauté à l'international : Des milliers de chercheurs.