De nouvelles populations de trous noirs révélées par les ondes gravitationnelles

Publié par Adrien le 04/09/2020 à 09:00
Source: CNRS
C'est la plus grosse prise à ce jour au tableau de chasse des détecteurs d'ondes gravitationnelles Ligo et Virgo: un trou noir ayant la masse de 142 soleils, issu de la fusion de deux trous noirs de 85 et 65 fois la masse du Soleil. Le trou noir final est le plus lourd jamais observé avec les ondes gravitationnelles et il pourrait donner des indications sur la formation des trous noirs (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de...) supermassifs qui siègent au centre de certaines galaxies (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite de deux autres Galaxie,...). La masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte)...) d'un des trous noirs ayant fusionné, celui de 85 fois la masse du Soleil (Soleils est une association à but humanitaire implantée sur le campus de Supélec (École Supérieure d'Electricité).), fournit des éléments qui pourraient améliorer notre compréhension des ultimes étapes de l'évolution des étoiles massives. La découverte, à laquelle ont contribué plusieurs équipes du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) au sein de la collaboration Virgo, est publiée le 2 septembre 2020 dans les revues Physical Review Letters et Astrophysical Journal Letters.


Extrait d'une simulation numérique de fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de molécules toutes identiques, la fusion s'effectue à...) des deux trous noirs.

Un couple de trous noirs en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) l'un autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter,...) de l'autre perd de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) sous forme d'ondes gravitationnelles. Les deux astres se rapprochent lentement, un phénomène qui peut durer des milliards d'années avant de s'accélérer brusquement. En une fraction de seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une mesure d'angle plan. La...), les deux trous noirs entrent alors en collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) à une vitesse (On distingue :) de l'ordre de la moitié de celle de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à...) et fusionnent en un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de...) unique.

Celui-ci est plus léger que la somme des deux trous noirs initiaux car une partie de leur masse (ici, l'équivalent de 8 soleils, soit une énergie colossale) a été convertie en ondes gravitationnelles selon la célèbre formule d'Einstein E=mc2 (L'équation E=mc2 a été formulée en 1905 par Albert Einstein dans le cadre de la relativité restreinte. Elle signifie qu'une particule...). C'est cette bouffée d'ondes gravitationnelles que les deux détecteurs Ligo (LIGO (pour Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) est un projet d'interféromètre américain, destiné à détecter les ondes gravitationnelles.) (aux Etats-Unis) et le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il...) Virgo (en Italie) ont observée. Sur son passage, cette onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...) dilate puis contracte l'espace. Ainsi, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par...) qui se trouve sur le trajet d'une onde gravitationnelle (Dans le cadre de la relativité générale les ondes gravitationnelles sont définies comme les perturbations de la métrique qui du...) voit sa longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en...) varier: ce sont ces infimes variations qui sont repérées dans les détecteurs Ligo et Virgo.

© N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration

Capter la naissance d'un trou noir issu de la fusion de deux autres, accompagnée de l'émission d'une énorme quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une...) d'énergie: ce nouvel épisode pourrait paraître banal tant ces détections se sont enchaînées depuis 2015, lorsque, pour la première fois, furent observées les ondes gravitationnelles issues d'un tel phénomène. Pourtant, GW190521, le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont...) enregistré le 21 mai 2019 par les instruments Ligo et Virgo, sort du lot car il est non seulement le plus distant et donc le plus ancien (l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie...) gravitationnelle a mis 7 milliards d'années à nous atteindre), mais le trou noir (Le Trou noir (The Black Hole) est un film de science-fiction réalisé par Gary Nelson, produit par la Walt Disney Pictures et sorti en 1979. L'histoire est...) qui résulte de la fusion est aussi le plus lourd jamais observé jusqu'ici. Surtout, cette observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir...) est la première preuve directe de l'existence de trous noirs dits "de masse intermédiaire" (entre 100 et 100 000 fois plus massifs que le Soleil). Ces derniers sont plus lourds que ceux issus de l'effondrement d'étoiles massives, mais beaucoup plus légers que les trous noirs supermassifs logés au centre de certaines galaxies. Jusqu'à présent, seules des preuves indirectes obtenues grâce aux observations électromagnétiques laissaient présager leur existence.

Les trous noirs de masse intermédiaire sont intéressants car ils pourraient être la clef (Au sens propre, la clef ou clé (les deux orthographes sont correctes) est un dispositif amovible permettant d'actionner un mécanisme.) d'une des énigmes de l'astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des...) et de la cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.): l'origine des trous noirs supermassifs. Si la question est encore largement ouverte, l'un des scénarios proposés pour expliquer la naissance de ces monstres cosmiques est justement la fusion à répétition de trous noirs de masse intermédiaire.

Les trous noirs dont on a observé la fusion, avec leur masse d'environ 65 et 85 fois celle du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et...), intriguent aussi les astrophysiciens. En effet, d'après les connaissances actuelles, l'effondrement gravitationnel d'une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la Terre.) ne peut pas former de trous noirs entre environ 60 et 120 masses solaires car les étoiles les plus massives sont complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à l'utilisateur de limiter la quantité d'informations...) soufflées par l'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette transformation s'effectue rapidement,...) en supernova (Une supernova est l'ensemble des phénomènes conséquents à l'explosion d'une étoile, qui s'accompagne d'une augmentation brève mais fantastiquement grande de sa...) qui accompagne cet effondrement, ne laissant derrière elles que gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme...) et poussière. Comment le trou noir de 85 fois la masse du Soleil, qui siège dans cette région interdite, s'est-il donc formé ? Y a-t-il quelque chose de mal compris dans la fin de vie (La vie est le nom donné :) des étoiles massives ? S'il n'a pas une origine stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la famille des Caryophyllaceae. Il comprend près de 90 espèces réparties à travers le monde.), pourrait-il lui-même résulter d'une fusion antérieure de trous noirs moins massifs ? Est-il au contraire un hypothétique trou noir primordial (Un trou noir primordial est un type de trou noir hypothétique, formé non pas par effondrement gravitationnel mais par la présence de régions extrêmement denses de l'Univers primitif....), formé lors du Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que...) ? Il est clair que l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la...) de GW190521 pose de nouvelles questions sur la formation des astres énigmatiques que sont les trous noirs.

Par rapport aux détections précédentes, le signal GW190521 observé par Ligo et Virgo est très court et plus difficile à analyser. À cause de sa nature plus complexe, d'autres sources plus exotiques ont été envisagées pour l'expliquer, et ces possibilités sont décrites dans l'article publié par Astrophysical Journal Letters. Toutefois, la source la plus plausible de cette onde gravitationnelle reste la fusion de deux trous noirs.

Bibliographie

GW190521: A Binary Black Hole Merger with a Total Mass of 150Mʘ, The LIGO Scientific Collaboration and the Virgo Collaboration, Physical Review Letters, 2 septembre 2020. DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.101102.

Properties and astrophysical implications of the 150Mʘ binary black hole merger GW190521, The LIGO Scientific Collaboration and the Virgo Collaboration, Astrophysical Journal Letters, 2 septembre 2020. DOI: 10.3847/2041-8213/aba493.
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