Un grand partenariat scientifique dédié à la détection et à l’analyse des ondes gravitationnelles vient de détecter la plus grosse fusion de trous noirs de l’histoire de l’astronomie. Un événement aux proportions si exceptionnelles qu’il pourrait nous forcer à reconsidérer certaines théories sur l’évolution des étoiles.
Cette collision titanesque a été détectée par la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), un grand réseau de détecteurs conçus pour enregistrer des ondes gravitationnelles — ces ondulations de l’espace-temps produites par l’accélération d’objets extrêmement massifs.
En l’occurrence, il s’agissait de deux trous noirs dont les masses respectives ont été estimées à 100 et 140 masses solaires. Une fois qu’ils se sont rencontrés, ils ont formé un nouveau trou noir appelé GW231123, qui se distingue par sa masse phénoménale : il est environ 225 fois plus massif que notre Soleil.
Cela constitue un nouveau record dans ce contexte, et avec une avance considérable. Car jusqu’à présent, le plus gros trou noir détecté grâce à des ondes gravitationnelles suite à une fusion de ce genre possédait une masse d’environ 140 masses solaires.
« Il s’agit du couple de trous noirs le plus massif que nous ayons observé par ondes gravitationnelles », a déclaré Mark Hannam, chercheur de la collaboration LVK et de l’Université de Cardiff, dans un communiqué.
Certes, cette masse reste très inférieure à celle des trous noirs supermassifs qui structurent des galaxies entières, comme Sagittarius A* au centre de la Voie lactée. Ces derniers peuvent en effet atteindre plusieurs millions, voire milliards de masses solaires.
Dans l’absolu, à l’échelle de l’Univers, les trous noirs mentionnés dans cette étude sont donc relativement modestes. Mais ils restent particulièrement intrigants, car ils tombent dans une sorte de zone grise scientifique qui suscite des tas de questions subsidiaires.
Les trous noirs intermédiaires, des objets mystérieux
Pour comprendre ce qui les rend intéressants, il faut d’abord se pencher sur les mécanismes de formation des trous noirs en faisant un détour par la dynamique des étoiles.
La structure des étoiles résulte d’un bras de fer permanent entre deux forces : la gravitation, qui attire la matière vers l’intérieur, et la pression de radiation produite par les réactions thermonucléaires dans le cœur, qui pousse vers l’extérieur. Mais ce rapport de force bascule de manière dramatique à la fin de la vie de l’astre. Lorsque le carburant qui alimente ces réactions thermonucléaires est épuisé, la pression de radiation diminue fortement, et c’est donc la gravité qui prend le dessus.
On assiste alors à un effondrement gravitationnel : le cœur s’écroule sur lui-même, déclenchant une supernova qui éjecte tout le matériel des couches externes. Les vestiges du cœur, s’il était suffisamment massif, peuvent alors se transformer en un trou noir de 5 à quelques dizaines de masses stellaires : on parle de trou noir de masse stellaire.
Le problème, c’est qu’il existe une limite théorique à ce processus. En effet, les modèles actuels suggèrent que dans une certaine plage de masse (au-dessus d’environ 70 masses solaires), la supernova détruirait l’étoile dans son intégralité, sans laisser de cœur susceptible de se transformer en trou noir. Cela signifie que les trous noirs comme ceux présentés dans cette étude, dits de « masse intermédiaire », se forment probablement grâce à d’autres mécanismes.
« Des trous noirs aussi massifs sont interdits par les modèles standards d’évolution stellaire », précise Hannam.
Ces mécanismes alternatifs restent mystérieux, car ils sont difficiles à observer directement. Et c’est précisément ce qui rend cette observation si fascinante : elle fournit une preuve directe que ces trous noirs intermédiaires peuvent émerger suite à la fusion de trous noirs de plus petite taille — l’un des principaux scénarios envisagés pour expliquer leur existence. En d’autres termes, il est possible que les deux trous noirs originaux aient eux-mêmes émergé de précédentes fusions avant de s’unir pour former ce nouveau trou noir intermédiaire à la masse record.
Un fabuleux laboratoire à ciel ouvert
Malheureusement, cela risque d’être très difficile à prouver, notamment parce qu’ils tournaient apparemment à une vitesse très importante. « Les trous noirs semblent tourner très rapidement, à une vitesse proche de la limite autorisée par la théorie de la relativité générale d’Einstein. Cela rend le signal difficile à modéliser et à interpréter », explique Charlie Hoy, co-auteur de l’étude.
La bonne nouvelle, c’est que cet exemple remarquable permettra sans doute de faire progresser ce champ de recherche. Avec un peu de chance, il permettra aux astrophysiciens de mieux cerner comment ces membres encore mal connus de la grande famille des trous noirs naissent et se comportent, avec des implications profondes pour notre compréhension de la dynamique globale de l’Univers.
« C’est un exemple frappant de tout ce que nous pouvons apprendre de l’astronomie des ondes gravitationnelles, et de tout ce qu’il reste à découvrir », se réjouit Sophie Bini, post-doctorante à Caltech et co-auteure de l’étude. « C’est une excellente étude de cas pour faire progresser le développement de nos outils théoriques », conclut Charlie Hoy.
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