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Azar Khalatbari

the 02.09.2020 à 14h11

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L’onde gravitationnelle du 21 May 2019, GW190521, a révélé des populations de trous noirs de masse inhabituelle. And, cerise le gâteau, elle confirme directement pour la première fois l’existence de trous noirs de masse intermédiaire, between 100 and 1000 times the mass of the Sun.

Le rapprochement puis la fusion de deux trous noirs engendrent des ondes gravitationnelles, infimes tremblements de l’espace-temps (vue d’artiste).

En cinq ans, les physiciens ont enregistré quelques dizaines d’ondes gravitationnelles, ce frisson de l’espace-temps produit par la fusion de deux astres compacts, dont l’existence avait été prédite par Albert Einstein un siècle plus tôt. Mais celle qui est tombée dans leur escarcelle le 21 May 2019 — et qui a pris le nom de code GW190521 — étonne à plusieurs titres. Deux articles à paraître ce mercredi 2 September 2020, dans le Physical Review Letters et dans l’Astrophysical Journal Letters, exposent ses particularités

To begin, elle témoigne de l’existence d’une population de trous noirs que les astrophysiciens n’avaient encore jamais détectée directement, ceux dont la masse est entre 100 and 1000 times the mass of the Sun, appelés trous noirs de masses intermédiaires. Puis elle pourrait répondre à une des questions les plus fondamentales de la discipline : comment se forment ces monstres qui logent au cœur des galaxies — “ces trous noirs supermassifs ” — qui rassemblent des millions voire des centaines de millions de fois la masse du Soleil ?

Présentons d’abord GW190521 qui a été conjointement enregistrée par les deux antennes de l’observatoire Ligo (United States) et celle de Virgo (Italy). L’analyse du signal a montré qu’elle est issue de la fusion de deux trous noirs, l’un de 65 masses solaires et l’autre de 85. Leur coalescence a formé un astre de 142 masses solaires… Tandis que l’équivalent de 8 masses solaires a été transformé en énergie, selon la fameuse formule d’Einstein E = Mc2 qui exprime l’équivalence entre la masse et l’énergie. C’est précisément l’énergie de l’onde gravitationnelle qui a donc voyagé pendant 7 milliards d’années avant de nous parvenir. C’est ainsi l’événement le plus lointain observé, qui a eu lieu, dans le cadre du modèle cosmologique en vigueur, at a distance of 9,4 milliards d’années-lumière, compte tenu de l’expansion de l’Univers qui se poursuit tout au long de ces 7 billion years. “C’est la première fois que nous sommes face à un « trou noir de masse intermédiaire”, explique Nelson Christensen, de l’observatoire de la Cote-d’Azur. Jusque-là seuls quelques cas avaient été rapportés, mais ces astres n’émettant aucune lumière, il s’agissait de déductions faites à partir du rayonnement électromagnétique de leur environnement qui permettait de calculer leur masse.”

Ainsi les astrophysiciens peuvent maintenant affirmer avec certitude que la nature nous présente trois catégories de ces astres fascinants : les trous noirs stellaires issus de l’effondrement d’étoiles massives, les trous noirs supermassifs au cœur des galaxies qui peuvent atteindre plusieurs milliards de masses solaires et désormais ceux de masse intermédiaire. Est-ce la fusion de ces derniers qui formeraient les monstres galactiques ? Une hypothèse qui pourra être explorée avec d’autres événements de ce type.

Mais là n’est pas la seule surprise qu’apporte GW190521: les deux astres qui ont fusionné ne sont pas non plus du genre banal. Particulièrement celui de 85 fois la masse solaire. Habituellement les trous noirs stellaires renferment une dizaine de masse solaire. Comment donc s’est formé le trou noir de 85 masses solaires ? “Les étoiles très massives qui s’effondrent sont entièrement soufflées lors de l’explosion qui aboutit à la formation d’un trou noir, à moins que le trou noir soit lui-même issu de la fusion de trous noirs plus petits …” s’interroge Nelson Christensen.

En vertu de cette dernière hypothèse, cet astre serait donc déjà le résultat d’une fusion de trous noirs plus petits “ce qui pourrait survenir au cœur d’un amas globulaire, un ensemble dense de centaine de milliers d’étoiles”, précise David Elbaz, directeur de recherche au CEA. Mais ce trou noir de 85 masses solaires peut être issu de l’effondrement d’étoile sans qu’il y ait eu explosion et donc il n’a pas pu être soufflé. “En effet, les astres formés quasi exclusivement d’hydrogène et d’hélium — sans éléments chimiques plus lourds — peuvent s’effondrer sans exploser. C’est ce qui a pu arriver aux étoiles formées dans un univers très jeune, poursuit David Elbaz. L’un des éléments de GW190521 était-il un tel ancêtre ? C’est bien possible ! “Il existe aussi une autre possibilité : si elle se trouve à l’intérieur d’une galaxie ayant très peu d’éléments lourds, une étoile massive peut exploser et laisser derrière elle un trou noir de 60 or 90 masses solaires”, he continues. Des hypothèses qui doivent être examinées si toutefois d’autres événements de ce type se présentent aux détecteursce qui ne devrait pas tarder !

En cinq ans, les physiciens ont enregistré quelques dizaines d’ondes gravitationnelles, ce frisson de l’espace-temps produit par la fusion de deux astres compacts, dont l’existence avait été prédite par Albert Einstein un siècle plus tôt. Mais celle qui est tombée dans leur escarcelle le 21 May 2019 — et qui a pris le nom de code GW190521 — étonne à plusieurs titres. Deux articles à paraître ce mercredi 2 September 2020, dans le Physical Review Letters et dans l’Astrophysical Journal Letters, exposent ses particularités

To begin, elle témoigne de l’existence d’une population de trous noirs que les astrophysiciens n’avaient encore jamais détectée directement, ceux dont la masse est entre 100 and 1000 times the mass of the Sun, appelés trous noirs de masses intermédiaires. Puis elle pourrait répondre à une des questions les plus fondamentales de la discipline : comment se forment ces monstres qui logent au cœur des galaxies — “ces trous noirs supermassifs ” — qui rassemblent des millions voire des centaines de millions de fois la masse du Soleil ?

Présentons d’abord GW190521 qui a été conjointement enregistrée par les deux antennes de l’observatoire Ligo (United States) et celle de Virgo (Italy). L’analyse du signal a montré qu’elle est issue de la fusion de deux trous noirs, l’un de 65 masses solaires et l’autre de 85. Leur coalescence a formé un astre de 142 masses solaires… Tandis que l’équivalent de 8 masses solaires a été transformé en énergie, selon la fameuse formule d’Einstein E = Mc2 qui exprime l’équivalence entre la masse et l’énergie. C’est précisément l’énergie de l’onde gravitationnelle qui a donc voyagé pendant 7 milliards d’années avant de nous parvenir. C’est ainsi l’événement le plus lointain observé, qui a eu lieu, dans le cadre du modèle cosmologique en vigueur, at a distance of 9,4 milliards d’années-lumière, compte tenu de l’expansion de l’Univers qui se poursuit tout au long de ces 7 billion years. “C’est la première fois que nous sommes face à un « trou noir de masse intermédiaire”, explique Nelson Christensen, de l’observatoire de la Cote-d’Azur. Jusque-là seuls quelques cas avaient été rapportés, mais ces astres n’émettant aucune lumière, il s’agissait de déductions faites à partir du rayonnement électromagnétique de leur environnement qui permettait de calculer leur masse.”

Ainsi les astrophysiciens peuvent maintenant affirmer avec certitude que la nature nous présente trois catégories de ces astres fascinants : les trous noirs stellaires issus de l’effondrement d’étoiles massives, les trous noirs supermassifs au cœur des galaxies qui peuvent atteindre plusieurs milliards de masses solaires et désormais ceux de masse intermédiaire. Est-ce la fusion de ces derniers qui formeraient les monstres galactiques ? Une hypothèse qui pourra être explorée avec d’autres événements de ce type.

Gravitational waves

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Source: https://www.sciencesetavenir.fr/fondamental/gw190521-revele-de-nouvelles-populations-de-trous-noirs_147128

World news – FR – Gravitational wave GW190521 reveals new populations of black holes

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