Ce texte est une traduction de l’article LIGO and Virgo Capture Their Most Massive Black Holes Yet, publié sur ScientificAmerican.com le 2 septembre 2020.

L’observation par les instruments Ligo et Virgo de la fusion de deux trous noirs massifs ayant engendré un monstre de 142 masses solaires offre un regard inédit sur le « chaînon manquant » que constituent les trous noirs de masse intermédiaire.

Simulation numérique de la fusion de trous noirs à l’origine du signal gravitationnel GW190521. Les deux trous noirs ont des masses élevées : 66 et 85 masses solaires respectivement.

L’alerte a immédiatement attiré l’attention de Zsuzsanna Márka. À chaque fois que l’observatoire américain Ligo (Laser interferometer gravitational-wave observatory) et son homologue européen Virgo détectent le signal d’une onde gravitationnelle potentielle, une notification automatique est rapidement envoyée aux membres de la collaboration.

Peu après avoir reçu l’information d’un tel événement le 21 mai 2019, Zsuzsanna Márka, astrophysicienne à l’université Columbia, se connecta sur la messagerie interne de l’équipe pour envoyer un message enthousiaste à son mari Szabolcs Márka, qui travaille également dans l’équipe de Ligo à l’université Columbia, et à Imre Bartos de l’université de Floride.

« Ce signal était très particulier, se souvient Zsuzsanna Márka. J’ai tout de suite remarqué qu’il impliquait des objets de grande masse. »

L’analyse du signal des ondes gravitationnelles – des ondulations de la trame de l’espace-temps causées par les cataclysmes cosmiques – a révélé qu’il provient de deux gros trous noirs tournant l’un autour de l’autre et ayant fusionné en un seul. Situés à quelque 17 milliards d’années-lumière, ces progéniteurs étaient respectivement environ 85 et 66 fois plus massifs que le Soleil, ce qui en fait la paire de trous noirs la plus massive détectée à ce jour par Ligo et Virgo. Et le trou noir né de cette fusion atteint la masse stupéfiante de 142 masses solaires.

Ces masses record ne sont pas la seule raison de l’excitation des astrophysiciens. Ligo et Virgo n’avaient encore jamais déniché de trous noirs dans ce que l’on appelle la plage « intermédiaire », entre 100 et environ 100 000 masses solaires. Et les astronomes n’ont pas encore observé d’exemple sans équivoque de tels trous noirs et ils ne sont pas certains de la façon dont ces astres pourraient se former.

Les nouvelles données de la collaboration Ligo-Virgo apportent des informations intéressantes sur l’environnement dans lequel ces poids lourds se sont formés, fournissant ainsi aux chercheurs les meilleures observations sur des objets qui étaient jusqu’à présent largement théoriques.

Et les chercheurs savent que cette découverte est un signe avant-coureur d’autres à venir, et espèrent recueillir bientôt de nombreux autres signaux de ce type. « Ce n’est que la pointe de l’iceberg », déclare Priyamvada Natarajan, astrophysicienne à l’université Yale, qui étudie la formation des trous noirs mais n’a pas participé à ces travaux.

Un trou noir naît généralement de la mort d’une étoile massive, qui finit sa vie dans une explosion spectaculaire, une supernova. Lorsque l’étoile se désintègre, son noyau dense s’effondre sur lui-même en un objet si compact et si massif que même la lumière ne peut plus échapper à son attraction gravitationnelle : un trou noir. Plus l’étoile d’origine est massive, plus ses restes seront massifs, au moins jusqu’à un certain point.

La mort des étoiles extrêmement lourdes, celles de masse supérieure à 130 fois celle du Soleil, comporte un rebondissement supplémentaire. La température devient si élevée dans leur cœur que les photons commencent à se transformer en paires d’électrons et de leurs antiparticules, les positrons. Ce changement entraîne une chute de la « pression de radiation » exercée par les photons, provoquant l’effondrement des épaisses couches externes vers l’intérieur avec une telle violence que le cœur explose dans une déflagration assez puissante pour anéantir l’étoile. Aucun vestige ne subsiste dans ce champ de ruine stellaire. Cela implique une limite supérieure théorique sur la masse des trous noirs : environ 65 masses solaires.

Le problème est que l’on sait que des trous noirs atteignant des millions, voire des milliards, de masses solaires sont tapis au centre de presque toutes les grandes galaxies. D’où viennent donc ces monstres ?

De nombreuses étoiles se forment au sein d’un couple, et les deux astres gravitent l’un autour de l’autre pendant toute leur vie. Si ce sont toutes deux des étoiles de grande masse, elles peuvent exploser à peu près en même temps et laisser derrière elles une paire de trous noirs. Ces trous noirs peuvent se rapprocher lentement, tomber en spirale l’un sur l’autre et finir par fusionner en émettant une profusion d’ondes gravitationnelles qui traverseront le cosmos à la vitesse de la lumière. Les instruments Ligo et Virgo ont été construits pour capter de tels signaux. Ils ont jusqu’à présent détecté une dizaine de fusions de ce type, chacune impliquant des trous noirs dont la masse varie entre environ 5 et 50 à 60 fois celle du Soleil.

Les fusions de trous noirs détectées par les instruments Ligo et Virgo. Avec une masse de 142 fois celle du Soleil, le trou noir engendré lors de l’événement GW190521est le plus gros jamais observé. C’est la première détection claire d’un trou noir de masse intermédiaire par un observatoire d’ondes gravitationnelles.

Mais si deux trous noirs peuvent fusionner, alors peut-être que l’objet résultant peut aussi rencontrer un autre trou noir et le processus se répéter. « C’est comme une machine d’assemblage », explique Szabolcs Márka. « Vous prenez un trou noir et vous le fusionnez pour en faire un plus gros, et vous le fusionnez. » De telles fusions dites « hiérarchiques » ont été décrites d’un point de vue théorique, mais, jusqu’à présent, on n’en avait jamais observé.

Bien que le signal du 21 mai 2019, dénommé GW190521, ait excité les détecteurs de Ligo et Virgo pendant moins d’un dixième de seconde, il contenait des informations intrigantes sur la paire de trous noirs ayant fusionné. Plus précisément, les détecteurs ont révélé que chacun des trous noirs tournait rapidement sur lui-même, une propriété observée auparavant dans une seule coalescence de trous noirs ( https://www.scientificamerican.com/article/ligos-latest-black-hole-merger-confirms-einstein-challenges-astrophysics1/ ). Cette seule observation rendait l’événement GW190521 inhabituel. Mais les chercheurs ont été encore plus intrigués de constater que les axes de rotation des deux trous noirs n’étaient pas alignés, signe que ces objets compacts n’étaient pas en couple depuis très longtemps.

Dans un couple d’objets célestes, la gravité, par l’intermédiaire des forces de marée, agit comme une force d’harmonisation, amenant progressivement chaque membre du duo à aligner son axe de rotation avec celui de son partenaire. Les trous noirs devraient tous deux tourner sur eux-mêmes selon un axe à peu près aligné sur celui de leur trajectoire orbitale l’un autour de l’autre, un peu comme l’axe de rotation de la Lune sur elle-même est, à quelques degrés près, aligné sur celui de son orbite autour de la Terre. Les axes de rotation non alignés des deux trous noirs de l’événement GW190521 indiquent que la gravitation n’a pas eu beaucoup de temps pour harmoniser le couple avant sa fusion. Cela suggère que les deux trous noirs ne se sont pas formés ensemble, mais qu’ils vivaient plutôt dans un environnement peuplé d’autres trous noirs. « Il y a un endroit particulier où cela peut se produire : au centre des galaxies, où les petits trous noirs ont tendance à se rassembler à proximité d’un trou noir supermassif », précise Imre Bartos.

Un trou noir supermassif niché au centre d’une galaxie crée un profond puits de potentiel, dans lequel d’autres objets massifs, comme des trous noirs de masse stellaire, vont tomber. L’événement GW190521 s’est produit à une distance de 17 milliards d’années-lumière, ce qui correspond, si l’on prend en compte l’expansion cosmique, à une époque où l’Univers n’avait que la moitié de son âge actuel, époque où de nombreuses galaxies brillaient de mille feux alors que leurs trous noirs supermassifs centraux engloutissaient voracement du gaz et de la poussière et recrachaient des rayonnements énergétiques. Ces noyaux galactiques actifs, comme on les appelle, auraient été des points chauds où des trous noirs plus petits auraient pu rencontrer de nouveaux partenaires et fusionner, ce qui expliquerait le nouvel événement observé par Ligo et Virgo.

Bien qu’un tel scénario ne soit pas certain, une grande partie des indices vont dans ce sens. Il est même possible que l’objet le plus lourd de la paire, celui de 85 masses solaires, soit né de la fusion de deux autres trous noirs plus petits, pense Imre Bartos, bien qu’on ne puisse pas exclure que ce trou noir extra-lourd ait été créé par un processus atypique encore inconnu.

Dans l’événement GW190521, la coalescence de deux trous noirs d’environ 66 et 85 masses solaires a donné naissance à un trou noir record de 142 masses solaires. Mais les deux progéniteurs sont probablement eux-mêmes trop massifs pour avoir été engendrés par l’effondrement d’étoiles massives. Ils pourraient ainsi provenir de la fusion antérieure de trous noirs plus petits.

Pour Priyamvada Natarajan, qui travaille sur les modèles de formation des trous noirs de masse intermédiaire entre 100 et 1 million de masses solaires, ces résultats sont passionnants car « ils donnent à voir la marche vers des trous noirs supermassifs ». Ceux-ci ont dû passer par une étape intermédiaire, ajoute-t-elle, mais jusqu’à présent les preuves de cette phase étaient insaisissables.

Les instruments Ligo et Virgo sont actuellement fermés en raison de la pandémie de Covid-19. Toutefois, les chercheurs sont impatients de voir, une fois que les instruments seront remis en service, s’ils trouveront d’autres événements impliquant des trous noirs dans cette gamme de masses intermédiaires. Le fait qu’il ait fallu autant de temps pour détecter ce premier cas suggère que de telles fusions sont plutôt rares, mais pas excessivement. Les améliorations apportées aux instruments devraient permettre aux scientifiques d’avoir une vision plus claire des moments précédant les fusions d’objets compacts, ce qui aidera à déterminer si elles se sont produites dans un noyau actif ou dans un autre environnement.

Des données particulièrement utiles pourraient provenir d’autres télescopes qui guettent les bouffées de rayonnement associées aux événements détectés par Ligo et Virgo. L’étude des contreparties en lumière visible, ultraviolette ou infrarouge des signaux d’ondes gravitationnelles multiplie les possibilités de comprendre les détails de ces événements. Juste après la détection de mai 2019, le relevé Zwicky Transient Facility de l’observatoire de Palomar, en Californie, a repéré un scintillement en lumière visible à proximité d’un noyau galactique distant, mais il n’est pas encore clair si les deux observations sont liées.

Quoi qu’il en soit, les chercheurs sont convaincus qu’ils auront bientôt de nombreux autres exemples de trous noirs intermédiaires à se mettre sous la dent. « Nous connaissons désormais des éléments tangibles qui nous révèlent des choses hors d’atteinte autrement, déclare Szabolcs Márka. Avant, c’était de la spéculation. Désormais, c’est devenu une théorie vérifiable. »

GW190521: A Binary Black Hole Merger with a Total Mass of 150 M_o, Phys. Rev. Lett. 125, 101102 (2020)

Properties and Astrophysical Implications of the 150 Msun Binary Black Hole Merger GW190521. Astrophys. J. Lett., vol. 900, L13 (2020)

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Source: https://www.pourlascience.fr/sd/astrophysique/un-trou-noir-de-masse-record-detecte-via-les-ondes-gravitationnelles-20022.php

World news – CA – Un trou noir de masse record détecté via les ondes gravitationnelles

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