Les trous noirs de masse stellaire qui résident dans des amas globulaires – de petites régions de l’espace, généralement aux limites d’une galaxie, qui sont remplies de centaines de milliers à des millions d’étoiles – pourraient se combiner à plusieurs reprises pour former des objets plus grands que tout ce qu’une seule étoile pourrait produire.
Un instantané d’une simulation montrant un trou noir binaire formé au centre d’un amas globulaire. Crédit image : Northwestern Visualization / Carl Rodriguez.
Les trous noirs binaires stellaires se forment lorsque deux trous noirs, créés à partir des restes d’étoiles massives, commencent à graviter l’un autour de l’autre. Finalement, les trous noirs fusionnent dans une collision qui, selon la théorie de la relativité générale d’Einstein, devrait libérer une énorme quantité d’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles.
Carl Rodriguez, astrophysicien au MIT, et ses co-auteurs suggèrent maintenant que les trous noirs peuvent s’associer et fusionner plusieurs fois, produisant ainsi des trous noirs plus massifs que ceux qui se forment à partir d’étoiles simples. Ces “fusions de deuxième génération” devraient provenir d’amas globulaires.
“Nous pensons que ces amas se sont formés avec des centaines ou des milliers de trous noirs qui ont rapidement coulé au centre”, a déclaré le Dr Rodriguez.
“Ces types d’amas sont essentiellement des usines à trous noirs binaires, où vous avez tellement de trous noirs qui traînent dans une petite région de l’espace que deux trous noirs pourraient fusionner et produire un trou noir plus massif. Ensuite, ce nouveau trou noir peut trouver un autre compagnon et fusionner à nouveau.”
Dans l’étude, M. Rodriguez et ses collègues ont utilisé le superordinateur de l’Université Northwestern appelé Quest pour simuler les interactions complexes et dynamiques au sein de 24 amas stellaires, dont la taille varie de 200 000 à 2 millions d’étoiles, et couvrant une gamme de densités et de compositions métalliques différentes.
Les simulations modélisent l’évolution des étoiles individuelles au sein de ces amas sur 12 milliards d’années, en suivant leurs interactions avec d’autres étoiles et, finalement, la formation et l’évolution des trous noirs. Les simulations modélisent également les trajectoires des trous noirs après leur formation.
“Ce qui est intéressant, c’est que les trous noirs étant les objets les plus massifs de ces amas, ils descendent vers le centre, où la densité de trous noirs est suffisamment élevée pour former des binaires”, a déclaré le Dr Rodriguez.
“Les trous noirs binaires sont essentiellement comme des cibles géantes accrochées dans l’amas, et comme vous lancez d’autres trous noirs ou étoiles sur eux, ils subissent ces rencontres chaotiques folles.”
Lors de leurs simulations, les chercheurs ont ajouté un ingrédient clé qui manquait dans les efforts précédents pour simuler les amas globulaires.
“Ce que les gens avaient fait dans le passé était de traiter ce problème comme un problème purement newtonien”, a noté le Dr Rodriguez.
“La théorie de la gravité de Newton fonctionne dans 99,9% des cas. Les quelques cas où elle ne fonctionne pas pourraient être lorsque vous avez deux trous noirs qui se frôlent de très près, ce qui n’arrive normalement pas dans la plupart des galaxies.”
La théorie de la relativité de Newton suppose que, si les trous noirs n’étaient pas liés au départ, aucun d’entre eux n’affecterait l’autre, et ils passeraient simplement l’un à côté de l’autre, sans changement.
Ce raisonnement découle du fait que Newton n’a pas reconnu l’existence des ondes gravitationnelles, dont Einstein a prédit bien plus tard qu’elles proviendraient d’objets massifs en orbite, tels que deux trous noirs proches l’un de l’autre
“Dans la théorie de la relativité générale d’Einstein, où je peux émettre des ondes gravitationnelles, lorsqu’un trou noir passe près d’un autre, il peut en fait émettre une minuscule impulsion d’ondes gravitationnelles”, a déclaré le Dr Rodriguez.
“Cela peut soustraire suffisamment d’énergie au système pour que les deux trous noirs deviennent effectivement liés, et qu’ils fusionnent rapidement.”
Les auteurs de l’étude ont décidé d’ajouter les effets relativistes d’Einstein dans leurs simulations d’amas globulaires.
Après avoir exécuté les simulations, ils ont observé des trous noirs fusionnant entre eux pour créer de nouveaux trous noirs, à l’intérieur même des amas stellaires.
Sans les effets relativistes, la gravité newtonienne prédit que la plupart des trous noirs binaires seraient expulsés de l’amas par d’autres trous noirs avant de pouvoir fusionner. Mais en prenant en compte les effets relativistes, l’équipe a constaté que près de la moitié des trous noirs binaires ont fusionné à l’intérieur de leurs amas stellaires, créant une nouvelle génération de trous noirs plus massifs que ceux formés à partir des étoiles. Qu’arrive-t-il à ces nouveaux trous noirs à l’intérieurle cluster est une question de spin.
“Si les deux trous noirs sont en rotation lorsqu’ils fusionnent, le trou noir qu’ils créent émettra des ondes gravitationnelles dans une seule direction privilégiée, comme une fusée, créant ainsi un nouveau trou noir qui peut se propulser à une vitesse de 5 000 km par seconde, c’est-à-dire à une vitesse folle”, a déclaré M. Rodriguez.
“Il suffit d’un coup de pied de peut-être quelques dizaines à une centaine de km par seconde pour s’échapper d’un de ces amas”.
À cause de cet effet, les scientifiques ont largement imaginé que le produit de toute fusion de trous noirs serait éjecté de l’amas, puisqu’on supposait que la plupart des trous noirs tournent rapidement.
Cette hypothèse, cependant, semble contredire les mesures des détecteurs jumeaux de LIGO, qui n’a jusqu’à présent détecté que des trous noirs binaires avec des spins faibles.
Pour tester les implications de cette hypothèse, les chercheurs ont réduit les spins des trous noirs dans leurs simulations et ont découvert que dans ce scénario, près de 20 % des trous noirs binaires des amas avaient au moins un trou noir formé lors d’une fusion précédente.
Parce qu’ils ont été formés à partir d’autres trous noirs, certains de ces trous noirs de deuxième génération peuvent avoir une masse comprise entre 50 et 130 masses solaires. Les scientifiques pensent que des trous noirs de cette masse ne peuvent pas se former à partir d’une seule étoile.
“Si les télescopes à ondes gravitationnelles tels que LIGO détectent un objet dont la masse se situe dans cette fourchette, il y a de fortes chances qu’il ne provienne pas d’une seule étoile en effondrement, mais d’un amas stellaire dense”, a déclaré M. Rodriguez.
Les résultats de l’équipe sont publiés dans le journal Physical Review Letters.
