Des astronomes assistent à la naissance d’un trou noir de masse intermédiaire Astronomie, physique

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Des astronomes utilisant les détecteurs jumeaux LIGO situés à Livingston, en Louisiane, et à Hanford, dans l’État de Washington, et le détecteur Virgo situé près de Pise, en Italie, ont détecté des ondes gravitationnelles provenant de la fusion de trous noirs binaires la plus massive jamais découverte. Les deux trous noirs en rotation ont fusionné alors que l’Univers n’avait qu’environ 7 milliards d’années, soit à peu près la moitié de son âge actuel, et ont formé un trou noir plus grand pesant 142 fois la masse du Soleil – un trou noir dit de masse intermédiaire.

Une impression d'artiste de trous noirs binaires sur le point d'entrer en collision. Crédit image : Mark Myers, Centre d'excellence ARC pour la découverte des ondes gravitationnelles (OzGrav), Université nationale australienne.

Une impression d’artiste de trous noirs binaires sur le point d’entrer en collision. Crédit image : Mark Myers, Centre d’excellence de l’ARC pour la découverte des ondes gravitationnelles (OzGrav), Université nationale australienne.

Les astronomes savent que les trous noirs de masse stellaire – c’est-à-dire les trous noirs dont la masse est comprise entre 10 et 100 fois celle du Soleil – sont les restes d’étoiles mourantes, et que les trous noirs supermassifs, dont la masse est supérieure à 1 000 000 fois celle du Soleil, se trouvent au centre de la plupart des galaxies.

Mais quelques trous noirs apparents d’un type plus mystérieux sont éparpillés dans l’Univers. D’une masse comprise entre 100 et 10 000 masses solaires, ces trous noirs de masse intermédiaire sont si difficiles à mesurer que leur existence même est parfois contestée.

Le dernier trou noir de 142 masses solaires produit par la fusion récemment découverte se situe dans cette gamme de masse intermédiaire entre les trous noirs de masse stellaire et les trous noirs supermassifs.

“Dès le début, ce signal, qui ne dure qu’un dixième de seconde, nous a mis au défi d’identifier son origine”, a déclaré le professeur Alessandra Buonanno, chercheur à l’Université du Maryland et à l’Institut Max Planck de physique gravitationnelle.

“Mais, malgré sa courte durée, nous avons pu faire correspondre le signal à celui attendu des fusions de trous noirs, comme le prédit la théorie de la relativité générale d’Einstein, et nous avons réalisé que nous avions assisté, pour la première fois, à la naissance d’un trou noir de masse intermédiaire à partir d’un parent trou noir qui était très probablement né d’une fusion binaire antérieure.”

Baptisé GW190521, le signal d’onde gravitationnelle a été détecté le 21 mai 2019 à 03:02:29 UTC.

Il provenait de deux trous noirs pesant respectivement 85 et 66 fois la masse du Soleil.

Le plus grand des deux trous noirs est considéré comme ” impossible “. Les astronomes prédisent que les étoiles entre 65 et 130 masses solaires subissent un processus appelé instabilité des paires, ce qui entraîne l’éclatement de l’étoile, sans rien laisser derrière elle.

“La masse du plus grand trou noir de la paire le place dans la fourchette où il est inattendu par rapport aux processus astrophysiques habituels”, a déclaré le professeur Peter Shawhan, un scientifique de l’Université du Maryland.

“Il semble trop massif pour avoir été formé à partir d’une étoile effondrée, d’où proviennent généralement les trous noirs”.

“Le trou noir ‘impossible’ formé par la collision se situe dans le désert des trous noirs entre 100 et 1 000 fois la masse du Soleil”, a ajouté le professeur Susan Scott, chercheuse au Centre d’excellence ARC pour la découverte des ondes gravitationnelles (OzGrav) à l’Université nationale australienne.

“Nous sommes très excités d’avoir réalisé la première observation directe d’un trou noir de masse intermédiaire dans cette gamme de masse.”

“Nous avons également vu comment il s’est formé, confirmant que les trous noirs de masse intermédiaire peuvent être produits par la fusion de deux trous noirs plus petits.”

Le signal GW190521, ressemblant à environ quatre courtes ondulations, a été extrêmement bref dans la durée, durant moins d’un dixième de seconde.

D’après ce que les chercheurs peuvent dire, il a été généré par une source située à environ 5 Gpc, lorsque l’Univers avait environ la moitié de son âge actuel, ce qui signifie que le signal a voyagé dans l’espace pendant 7 milliards d’années avant d’atteindre la Terre.

La source de GW190521 est la source d’ondes gravitationnelles la plus éloignée détectée jusqu’à présent.

Nelson Christensen, un chercheur au Centre national français de la recherche scientifique, a déclaré : ” Cela ne ressemble pas vraiment à un gazouillement, ce que nous détectons habituellement “.

“Cela ressemble plus à quelque chose qui fait ‘bang’, et c’est le signal le plus massif que LIGO et Virgo ont vu”.

En utilisant le Zwicky Transient Facility, les astronomes ont peut-être repéré une éruption lumineuse provenant de la collision GW190521. Ceci est surprenant, car les trous noirs et leurs fusions sont normalement sombres pour les télescopes.

Une théorie est que le systèmepourrait avoir été en orbite autour d’un trou noir supermassif.

Le trou noir nouvellement formé peut avoir reçu un coup de pouce de la collision, se dirigeant dans une nouvelle direction et traversant le disque de gaz entourant le trou noir supermassif, le faisant s’illuminer.

“Il existe un certain nombre d’environnements différents dans lesquels ce système de deux trous noirs aurait pu se former, et le disque de gaz entourant un trou noir supermassif est certainement l’un d’entre eux”, a déclaré le Dr Vaishali Adya, chercheur postdoctoral au Centre d’excellence ARC pour la découverte des ondes gravitationnelles (OzGrav) à l’Université nationale australienne.

“Mais il est également possible que ce système soit constitué de deux trous noirs primordiaux qui se sont formés au début de l’Univers”.

“Chaque observation que nous faisons de deux trous noirs entrant en collision nous donne des informations nouvelles et surprenantes sur la vie des trous noirs à travers l’Univers.”

“Nous commençons à peupler les lacunes de masse des trous noirs que l’on pensait jusqu’alors exister, avec des trous noirs ‘impossibles’ qui ont été révélés par nos détections.”

Les résultats ont été publiés dans deux articles dans le journal. Physical Review Letters et le Astrophysical Journal Letters.

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