De nouvelles populations de trous noirs révélées par les ondes gravitationnelles

Publié par Adrien le 27/01/2022 à 09:00
Source: CNRS IN2P3
Capter la naissance d'un trou noir issu de la fusion de deux autres, accompagnée de l'émission d'une énorme quantité 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...) enregistré le 21 mai 2019 par les instruments Ligo (LIGO (pour Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) est un projet...) et Virgo, sort du lot car il est non seulement le plus distant et donc le plus ancien (l'onde gravitationnelle (Dans le cadre de la relativité générale les ondes gravitationnelles sont...) 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,...) qui résulte de la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...) 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...) est la première preuve directe de l'existence de trous noirs dits "de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) 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 (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec...). 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...) d'une des énigmes de l'astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche...) et de la cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système...): 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 (Soleils est une association à but humanitaire implantée sur le campus de Supélec...), 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...) 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...) soufflées par l'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un...) en supernova (Une supernova est l'ensemble des phénomènes conséquents à l'explosion d'une...) qui accompagne cet effondrement, ne laissant derrière elles que gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) et poussière. Comment le trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense...) de 85 fois la masse du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...), 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...), 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...), formé lors du Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a...) ? Il est clair que l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) 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 (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) gravitationnelle reste la fusion de deux trous noirs.


Extrait d'une simulation numérique de fusion 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...) l'un autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) 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...) 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...), les deux trous noirs entrent alors en collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de...) 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...) et fusionnent en un trou noir 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...).

C'est cette bouffée d'ondes gravitationnelles que les deux détecteurs Ligo (aux Etats-Unis) et le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...) Virgo (en Italie) ont observée. Sur son passage, cette onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) dilate puis contracte l'espace. Ainsi, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) qui se trouve sur le trajet d'une onde gravitationnelle voit sa longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) 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

À propos des collaborations Virgo et Ligo

La collaboration Virgo est actuellement composée d'environ 580 scientifiques dans 13 pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue...) européens. L'Observatoire gravitationnel européen (EGO) héberge le détecteur Virgo près de Pise en Italie, et est financé par le Centre national de la recherche scientifique (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) (CNRS) en France, l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italie et Nikhef aux Pays-Bas. Une liste des équipes impliquées dans la collaboration Virgo est disponible sur http://public.virgo-gw.eu/the-virgo-collaboration.

Ligo est financé par la National Science Foundation (NSF) et géré par Caltech et le MIT, qui ont conçu Ligo et dirigé le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...). Le financement du projet Advanced Ligo est assuré par la NSF, avec des contributions importantes de l'Allemagne (Max Planck Gesellschaft), du Royaume-Uni (Science and Technology Facilities Council) et de l'Australie (L’Australie (officiellement Commonwealth d’Australie) est un pays de...) (Australian Research Council - OzGrav). Environ 1 300 scientifiques du monde (Le mot monde peut désigner :) entier sont regroupés au sein de la collaboration scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) Ligo, qui comprend la collaboration GEO (Geo était une marque de voiture qui appartenait à General Motors. La marque est apparue en 1989...). Les autres partenaires sont recensés sur https://my.ligo.org/census.php (PHP (sigle de PHP: Hypertext Preprocessor), est un langage de scripts libre principalement...).

Les publications scientifiques annonçant cette observation sont cosignées par 99 scientifiques de huit équipes françaises faisant partie de la collaboration Virgo:
- le laboratoire Astroparticule et cosmologie (CNRS/Université de Paris) ;
- le laboratoire Astrophysique relativiste, théories, expériences, métrologie (La métrologie est la science de la mesure au sens le plus large.), instrumentation (Le mot instrumentation est employé dans plusieurs domaines :), signaux (CNRS/Observatoire de la Côte d'Azur/Université Côte d'Azur) ;
- l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) des 2 infinis de Lyon (CNRS/Université Claude Bernard (Claude Bernard, né le 12 juillet 1813 à Saint-Julien (Rhône) et mort le...) Lyon 1) ;
- l'Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (Hubert Curien (30 octobre 1924, Cornimont - 6 février 2005, Loury) est un cristallographe...) (CNRS/Université de Strasbourg) ;
- l'Institut lumière matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) (CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1) ;
- le Laboratoire d'Annecy de physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants...) (CNRS/Université Savoie Mont Blanc) ;
- le Laboratoire Kastler Brossel (CNRS/Sorbonne Université/ENS-PSL/Collège de France) ;
- le Laboratoire de physique des 2 infinis - Irène Joliot-Curie (Irène Joliot-Curie (12 septembre 1897 à Paris - 17 mars 1956 à...) (CNRS/Université Paris-Saclay).

Des scientifiques co-signataires des publications sont associés aux équipes ci-dessus et font partie des laboratoires suivants: Institut Foton (CNRS/Université Rennes 1/Insa Rennes), laboratoire Lagrange (CNRS/Université Côte d'Azur/Observatoire Côte d'Azur), Laboratoire de physique et d'étude des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) (CNRS/Sorbonne Université/ESPCI Paris).
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