La première image rendue d’un trou noir, illuminé par la matière tombante. Dans cette étude, des chercheurs ont proposé un modèle où ces objets peuvent gagner de la masse sans ajout de matière : ils peuvent se coupler cosmologiquement à la croissance de l’univers lui-même. Crédit : Jean-Pierre Luminet, « Image of a Spherical Black Hole with Thin Accretion Disk », Astronomy and Astrophysics 75 (1979) : 228-35.
Au cours des 6 dernières années, les observatoires d’ondes gravitationnelles ont détecté trou noir fusions, vérifiant une prédiction majeure de la théorie de la gravité d’Albert Einstein. Mais il y a un problème : beaucoup de ces trous noirs sont étonnamment grands. Maintenant, une équipe de chercheurs de l’Université d’Hawai’i à Mānoa, le Université de Chicago, et l’Université du Michigan à Ann Arbor, ont proposé une nouvelle solution à ce problème : les trous noirs se développent avec l’expansion de l’univers.
Depuis la première observation de la fusion des trous noirs par le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) en 2015, les astronomes ont été à plusieurs reprises surpris par leurs grandes masses. Bien qu’ils n’émettent pas de lumière, les fusions de trous noirs sont observées par leur émission de ondes gravitationnelles — ondulations dans le tissu de l’espace-temps qui ont été prédites par la théorie de la relativité générale d’Einstein. Les physiciens s’attendaient à l’origine à ce que les trous noirs aient des masses inférieures à environ 40 fois celles du Soleil, car la fusion des trous noirs provient d’étoiles massives, qui ne peuvent pas se maintenir si elles deviennent trop grosses.
Les observatoires LIGO et Virgo, cependant, ont trouvé de nombreux trous noirs avec des masses supérieures à celles de 50 soleils, certains aussi massifs que 100 soleils. De nombreux scénarios de formation ont été proposés pour produire de tels trous noirs, mais aucun scénario unique n’a été en mesure d’expliquer la diversité des fusions de trous noirs observées jusqu’à présent, et il n’y a pas d’accord sur la combinaison de scénarios de formation physiquement viable. Cette nouvelle étude, publiée dans le Lettres de revues astrophysiques, est le premier à montrer que les masses de trous noirs, grandes et petites, peuvent résulter d’une seule voie, dans laquelle les trous noirs gagnent de la masse grâce à l’expansion de l’univers lui-même.
Comparaison des observations de fusion de trous noirs avec les prédictions du nouveau modèle. L’axe horizontal montre la masse totale des deux trous noirs dans toute fusion individuelle, par rapport à la masse du Soleil. L’axe vertical donne une mesure de la distance dans le passé où la fusion a été observée, où un décalage vers le rouge (noté z) de 1 correspond au moment où l’Univers avait la moitié de sa taille actuelle et z = 0 est aujourd’hui. Les observations LIGO—Virgo sont affichées sous forme de croix noires, les plus petites croix représentant des mesures avec des incertitudes plus faibles. Les prédictions pour les trous noirs dans un univers statique (non en expansion) sont affichées dans la région orange, avec l’ombrage plus sombre représentant plus d’objets prédits. Celles-ci sont contrastées avec les prédictions de trous noirs couplés cosmologiquement dans un univers en croissance, qui sont montrés dans la région bleue. Crédit : Université d’Hawai`i, Université de Chicago, Université du Michigan à Ann Arbor
Les astronomes modélisent généralement des trous noirs à l’intérieur d’un univers qui ne peut pas s’étendre. “C’est une hypothèse qui simplifie les équations d’Einstein parce qu’un univers qui ne grandit pas a beaucoup moins à suivre,“ a déclaré Kevin Croker, professeur au département de physique et d’astronomie de l’UH Mānoa. « Il y a cependant un compromis : les prédictions peuvent n’être raisonnables que pour un laps de temps limité.“
Étant donné que les événements individuels détectables par LIGO—Virgo ne durent que quelques secondes, lors de l’analyse d’un seul événement, cette simplification est judicieuse. Mais ces mêmes fusions sont potentiellement en gestation depuis des milliards d’années. Pendant le temps entre la formation d’une paire de trous noirs et leur fusion éventuelle, l’univers grandit profondément. Si les aspects les plus subtils de la théorie d’Einstein sont soigneusement examinés, une possibilité surprenante émerge : les masses de trous noirs pourraient croître au même rythme que l’univers, un phénomène que Croker et son équipe appellent couplage cosmologique.
L’exemple le plus connu de matériau couplé cosmologique est la lumière elle-même, qui perd de l’énergie à mesure que l’univers grandit. « Nous avons pensé à considérer l’effet inverse,“ a déclaré Duncan Farrah, co-auteur de la recherche et professeur de physique et d’astronomie de l’UH Mānoa. « Qu’est-ce que LIGO-Vierge observerait si les trous noirs étaient couplés cosmologiquement et gagnaient de l’énergie sans avoir besoin de consommer d’autres étoiles ou du gaz ?“
Pour étudier cette hypothèse, les chercheurs ont simulé la naissance, la vie et la mort de millions de paires de grandes étoiles. Toutes les paires où les deux étoiles sont mortes pour former des trous noirs ont ensuite été liées à la taille de l’univers, à partir du moment de leur mort. Au fur et à mesure que l’univers continuait de grandir, les masses de ces trous noirs augmentaient au fur et à mesure qu’ils se rapprochaient les uns des autres. Le résultat n’a pas seulement été plus de trous noirs massifs lors de leur fusion, mais aussi beaucoup plus de fusions. Lorsque les chercheurs ont comparé les données LIGO-Virgo à leurs prédictions, ils se sont assez bien entendus. “Je dois dire que je ne savais pas quoi penser au début,“ a déclaré Gregory Tarlé, co-auteur de la recherche et professeur à l’Université du Michigan. « C’était une idée si simple, j’ai été surpris que cela fonctionne si bien.“
Selon les chercheurs, ce nouveau modèle est important car il ne nécessite aucun changement dans notre compréhension actuelle de la formation, de l’évolution ou de la mort des étoiles. L’accord entre le nouveau modèle et nos données actuelles vient simplement de la reconnaissance que les trous noirs réalistes n’existent pas dans un univers statique. Les chercheurs ont cependant pris soin de souligner que le mystère des trous noirs massifs de LIGO-Virgo est loin d’être résolu.
« De nombreux aspects de la fusion des trous noirs ne sont pas connus en détail, tels que les environnements de formation dominants et les processus physiques complexes qui persistent tout au long de leur vie,“ ledit co-auteur de la recherche et Nasa Hubble Fellow Dr Michael Zevin. « Bien que nous ayons utilisé une population stellaire simulée qui reflète les données dont nous disposons actuellement, il y a beaucoup de marge de manœuvre. Nous pouvons voir que le couplage cosmologique est une idée utile, mais nous ne pouvons pas encore mesurer la force de ce couplage.“
Le co-auteur de la recherche et professeur de physique et d’astronomie de l’UH Mānoa, Kurtis Nishimura, a exprimé son optimisme pour les futurs tests de cette nouvelle idée : technique. Cela sera mesuré bien assez tôt.“
Référence : « Cosmologically Coupled Compact Objects: A Single-parameter Model for LIGO–Virgo Mass and Redshift Distributions » par Kevin S. Croker, Michael Zevin, Duncan Farrah, Kurtis A. Nishimura et Gregory Tarlé, 3 novembre 2021, Les lettres du journal astrophysique.
DOI : 10.3847 / 2041-8213 / ac2fad
