Impression d’artiste d’un disque de matière entourant un trou noir supermassif. Crédit : ESA/Hubble, M. Kornmesser
Une simulation montre comment les collisions d’étoiles alimentent les trous noirs massifs.
Un nouveau modèle éclaire les origines mystérieuses de l’onde gravitationnelle 190521.
Il est difficile de prédire avec certitude ce qui se passe lorsque des étoiles géantes entrent en collision, mais de nouvelles simulations hydrodynamiques, les premières du genre, réalisées par l’équipe DEMOBLACK de l’université italienne de Padoue, laissent entrevoir une série de résultats exotiques. Ces résultats incluent la formation de trous noirs massifs dans les pouponnières stellaires, où les grandes étoiles résident à proximité les unes des autres.
L’astrophysicienne Michela Mapelli a décrit la nouvelle simulation et ses prédictions lors d’une session de la réunion d’avril 2022 de l’APS. Cette réunion hybride s’est tenue à New York et en ligne. En plus de Mapelli, le projet DEMOBLACK comprend les astrophysiciens Alessandro Ballone et Guglielmo Costa.
Le modèle de Mapelli suggère une réponse à une question urgente dans le domaine de l’astronomie des ondes gravitationnelles : comment deux trous noirs distants se sont-ils combinés pour produire GW190521, une puissante onde gravitationnelle détectée en 2019 par des chercheurs avancés de l’Université de Californie du Sud. LIGO et Virgo ? Le signal de GW190521 avait la forme caractéristique d’une onde gravitationnelle. trou noir fusion. Dans ce cas, il s’agissait d’une fusion entre deux trous noirs progéniteurs ayant des masses de 85 et 66 masses solaires. Leur collision a donné naissance à un trou noir résiduel plus de 140 fois plus massif que le soleil.
Les ondes gravitationnelles sont des perturbations ou des ondulations de la courbure de l’espace-temps causées par des masses en accélération qui se propagent sous forme d’ondes vers l’extérieur à la vitesse de la lumière depuis leur source.
Mais la fusion était un casse-tête. Elle était plus grande que les trous noirs de masse stellaire, qui se forment à partir des noyaux effondrés des étoiles, et plus petite que les trous noirs supermassifs. Sa masse le plaçait dans un “écart de masse” – une fourchette dans laquelle les physiciens n’étaient pas sûrs que des trous noirs puissent se former.
Mapelli et ses collaborateurs ont prédit pour la première fois que les collisions stellaires pourraient conduire à la formation de trous noirs dans le fossé de masse environ un an avant l’annonce de l’observation LIGO-Virgo. Ils n’ont cependant pas effectué de simulation hydrodynamique avant d’en savoir plus sur GW190521. “Cela nous a poussés à retrousser nos manches”, dit-elle.
D’après la simulation DEMOBLACK, un tel mastodonte pourrait naître de l’union de grandes étoiles, comme celles que l’on trouve densément regroupées dans une pouponnière stellaire. Des simulations antérieures ont modélisé les collisions entre des étoiles de faible et de moyenne masse, mais les travaux de Mapelli décrivent pour la première fois ce qui se passe après que des géantes se sont écrasées. “Personne n’a simulé la collision d’étoiles aussi massives”, dit-elle.
Lors de la réunion de l’APS, Mapelli a décrit les processus dynamiques qui pourraient sous-tendre la formation de trous noirs binaires massifs dans les jeunes amas d’étoiles. La simulation commence avec deux étoiles, dont l’une est une étoile de la séquence principale, physiquement non évoluée, environ 40 fois plus massive que le soleil. “Elle est principalement composée d’hydrogène frais”, explique-t-elle. L’autre étoile est plus ancienne, a environ 60 masses solaires et possède un noyau compact d’hélium. “Cela signifie que le rayon est très grand, que la masse est grande et que le contraste entre la densité du noyau et de la partie extérieure est important”, explique Mapelli.
Selon certaines hypothèses, ces étoiles pourraient s’effondrer en un trou noir de plus de 50 masses solaires. Et ces trous noirs, à leur tour, pourraient former des binaires et finalement fusionner. Selon Mapelli, ces types d’échanges et de collisions stellaires peuvent donner naissance à des trous noirs binaires d’une masse supérieure à 40 soleils. Des collisions et des fusions répétées pourraient produire des trous noirs de masses bien plus élevées, allant d’environ 100 à 10 000 fois la masse du soleil.
Depuis l’observation de GW190521 rapportée dans Physical Review Letters en 2020, les théoriciens ont cherché une explication rigoureuse des processus dynamiques qui la sous-tendent. Une idée concurrente postule que la binaire comprenait des trous noirs primordiaux, ce qui signifie qu’ils ne sont pas nés de l’effondrement des noyaux d’étoiles mais qu’ils sont restés dans l’univers primitif. Une autre idée, étayée par l’observation que la fusion a pu produire une éruption électromagnétique, suggère que la collision s’est produite à l’intérieur du disque de gaz dense entourant un trou noir supermassif.
Mapelli précise que ses travaux n’excluent pas ces autres explications. “Nous ne sommes pas sûrs que cette collision soit la seule explication possible pour un événement comme 190521”, dit-elle. “Cette simulation ne rejette pas les autres. Nous devons les prendre en compte toutes les trois.”
APS April Meeting 2022 : Abstract : S03.00001 : Les trous noirs à écart de masse et la pouponnière d’étoiles
