Italie/États-Unis et France

Alessandra Buonanno et Thibault Damour

Prix Balzan 2021 pour gravitation: aspects physiques et astrophysiques

Pour leur rôle de leaders dans la prédiction des signaux des ondes gravitation-nelles produits lorsque des objets compacts comme les étoiles à neutrons et les trous noirs spiralent ensemble et finissent par fusionner. Leurs travaux ont joué un rôle déterminant dans la détection des ondes gravitationnelles, fournissant une confirmation très précise de la relativité générale en tant que théorie de la gravita-tion et permettant aux détecteurs LIGO et Virgo de promouvoir une forme d’as-tronomie qui utilise les ondes gravitationnelles comme de nouveaux et puissants messagers de l’univers.

Le rayonnement gravitationnel ouvre une nouvelle fenêtre d’observation sur l’univers et les chercheurs Alessandra Buonanno et Thibault Damour ont développé avec succès de nouvelles méthodes théoriques permettant d’en exploiter pleinement le potentiel scientifique.

Dès la fin des années 90 du siècle dernier, leurs recherches ont été centrées sur le problème de la prédiction des ondes gravitationnelles provenant de trous noirs qui spiralent et finissent par fusionner. Il est essentiel d’avoir des prédictions précises pour pouvoir extraire l’infime signal des ondes gravitationnelles de l’écrasant bruit de fond, et pour déduire les caractéristiques physiques du système d’objets en fusion. Un très grand nombre de formes d’ondes théoriques (correspondant à différentes masses, spins et paramètres orbitaux du système) doit être calculé et comparé aux données, d’où l’importance de calculs rapides et précis.

Alessandra Buonanno et Thibault Damour ont conçu un formalisme nouveau et sophistiqué (méthode effective-one-body, EOB), pour résoudre analytiquement le problème à deux corps en relativité générale, permettant ainsi un calcul rapide des formes d’ondes. En presque 20 ans de travail intense avec leurs étudiants, post-doctorants et collaborateurs, ils ont étendu et perfectionné la méthode EOB pour inclure les harmoniques supérieurs, les effets de spin et les effets de marée : toutes ces extensions sont fondamentales pour prédire des modèles de formes d’ondes pour des binaires asymétriques et des binaires incluant des étoiles à neutrons. Dans le cadre d’une large collaboration entre des chercheurs qui travaillent en relativité numérique et analytique et d’autres en analyse des données, une combinaison de la méthode analytique EOB avec des simulations de relativité numérique a été mise en œuvre dans les pipelines d’analyse des données LIGO/Virgo et a été déterminante pour la première détection, et surtout l’interprétation, d’ondes gravitationnelles provenant de la fusion d’un trou noir binaire, ainsi que pour l’analyse des signaux d’ondes gravitationnelles observés depuis lors. La méthode EOB de Buonanno et Damour a joué aussi un rôle de premier plan dans l’utilisation de ces données pour effectuer les premiers tests de la relativité générale en régime de gravitation ultra-forte, confirmant de façon éclatante la validité de la relativité générale en tant que théorie de la gravitation.

De plus, la combinaison synergique des données des interféromètres LIGO et Virgo a permis de cerner la position dans le ciel des sources des ondes gravitationnelles, permettant ainsi d’identifier la source d’une onde gravitationnelle avec des rayons γ, et X associés, ainsi que de la lumière visible et infrarouge. Cette identification a rendu possible l’attribution de ces émissions à la fusion de deux étoiles à neutrons, ce qui a conduit à la compréhension de ses implications physiques. Cela peut être considéré comme un moment pivot dans l’astronomie dite multi-messagers.

Les progrès théoriques initiés par Buonanno et Damour seront aussi fondamentaux pour l’interprétation des futures données de l’astronomie des ondes gravitationnelles de précision provenant de l’interféromètre spatial LISA, et des futures installations au sol comme l’Einstein Telescope et le Cosmic Explorer, pour lesquelles la connaissance précise des formes d’ondes sera la clé pour une pleine exploitation des données observées, donnant ainsi forme à l’avenir de l’astronomie.