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La plus grosse collision de trous noirs jamais détectée intrigue les scientifiques

02-09-2020

Impression d’artiste de trous noirs binaires sur le point de se heurter. Image: Mark Myers, ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav).

Les observatoires d’ondes gravitationnelles LIGO et Virgo ont repéré la plus grosse collision de trous noirs jamais observée. Le trou noir en résultant possède une masse de 142 fois celle de notre Soleil. Mais l’événement laisse les astrophysiciens perplexes…

Il y a 7 milliards d’années, deux trous noirs géants de 85 et 66 fois la masse du Soleil entraient en collision. Cette collision a été si puissante qu’elle a « plissé » l’espace-temps et généré des ondes gravitationnelles qui ont pu parvenir jusqu’à la Terre. Le signal, identifié sous le code GW190521, a été détecté le 21 mai 2019 par les observatoires LIGO (États-Unis) et Virgo (Italie).

Les chercheurs qui prennent part à cette collaboration internationale estiment que ce titanesque impact a provoqué de puissantes ondes gravitationnelles ayant une énergie équivalente à celle de 8 soleils.

La fusion de ces deux mastodontes a donné naissance à un nouveau trou noir de 142 fois la masse de notre Soleil. Cet événement astronomique est « le plus énergétique que nous avons vu jusqu’à présent et le deuxième plus important après le Big bang», a indiqué Karan Jani, membre de l’équipe du LIGO, en conférence de presse.

«Le signal ne ressemble pas aux « gazouillis » que l’on a l’habitude de détecter lors de fusions de systèmes binaires ; c’était plutôt quelque chose comme un « bang » et le système binaire qui l’a généré est le plus massif détecté par LIGO et Virgo à ce jour», mentionne Nelson Christensen, directeur de recherche CNRS et membre de l’équipe Virgo.

Après plus d’un an d’analyse par au moins 1 000 scientifiques à travers le monde et avec l’aide d’outils informatiques puissants dont 3 000 simulations par superordinateurs de collisions de trous noirs, les chercheurs ont pu tirer une grande quantité d’informations sur cette fusion inédite.

Une preuve attendue

Pourquoi ce trou noir est-il si intéressant aux yeux des astrophysiciens? Depuis la toute première détection d’ondes gravitationnelles en 2016 – une percée scientifique importante – , les observatoires n’avaient jamais détecté un trou noir aussi massif, ni aussi éloigné et ancien.

Encore plus intéressant, le méga trou noir qui résulte de la collision est un trou noir de masse intermédiaire, une catégorie de trous noirs dont l’existence n’avait jamais été détectée auparavant. Comme leur nom l’indique, ces derniers sont plus massifs que les trous noirs stellaires – issus de l’effondrement d’étoiles –, mais beaucoup plus légers que les trous noirs dits « supermassifs » présents au centre des galaxies.

Ces trous noirs intermédiaires ont entre 100 et 1 000 fois la masse de notre Soleil et les connaissances à leur sujet sont très limitées, d’où le grand intérêt de la communauté scientifique à l’égard de cette nouvelle découverte.

« C’est ennuyeux, car nous ne savons pas comment se forment les trous noirs de masse intermédiaire, même s’il existe plusieurs scénarios, explique Michela Mapelli, chercheuse à l’observatoire Virgo. Cet événement est cependant la première preuve qu’un trou noir intermédiaire existe. Maintenant, il faut en chercher plus.»

La découverte soulève plus de questions qu’elle n’apporte de réponses: les trous noirs qui ont fusionné laissent eux aussi les astrophysiciens perplexes, surtout celui de 85 masses solaires. D’après les modèles actuels, l’effondrement des étoiles massives en fin de vie ne peut pas former de trous noirs ayant une masse comprise entre 60 et 120 fois celle du Soleil environ, car l’explosion des étoiles les plus massives souffle trop de matière pour constituer un trou noir. Un tel objet n’aurait donc pas dû exister…

Il va donc falloir revoir la théorie, et les physiciens attendent beaucoup de nouvelles découvertes au cours des prochaines années, alors que de nouveaux détecteurs d’ondes gravitationnelles entrent en fonction, dont le KAGRA, situé au Japon.

Les détails de cette découverte ont été publiés dans deux revues scientifiques : Physical Review Letters and Astrophysical Journal Letters ainsi que The Astrophysical Journal Letters.

La formation de trous noirs intermédiaires

Selon la chercheuse italienne Michela Mapelli, il y aurait trois scénarios principaux pour expliquer la formation de trous noirs intermédiaires.

  • Deux « petits » trous noirs qui formeraient un trou noir intermédiaire suite à une collision. «Dans les amas d’étoiles denses et les noyaux galactiques, les trous noirs peuvent avoir des rencontres rapprochées avec d’autres trous noirs», signale Michela Mapelli.
  • Une fusion entre des étoiles massives qui s’effondrent en un trou noir intermédiaire.
  • Un noyau de galaxie active, une région où il y a une énorme quantité de gaz. La combinaison de ces gaz peut produire des trous noirs intermédiaires. C’est le scénario le plus populaire.

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