Une impression d’artiste de deux trous noirs en collision.Crédit : Carol & Mike Werner/Visuals Unlimited, INC./Science Photo Library
Des astronomes ont détecté la collision de trous noirs la plus puissante, la plus distante et la plus perplexe à ce jour grâce aux ondes gravitationnelles. Des deux mastodontes qui ont fusionné lorsque l’Univers avait la moitié de son âge actuel, au moins un – pesant 85 fois plus que le Soleil – a une masse que l’on pensait trop importante pour être impliquée dans un tel événement. Et la fusion a produit un trou noir de près de 150 masses solaires, ont estimé les chercheurs, le plaçant dans une fourchette où aucun trou noir n’avait jamais été vu de manière concluante auparavant.
« Tout dans cette découverte est époustouflant », déclare Simon Portegies Zwart, astrophysicien computationnel à l’Université de Leiden aux Pays-Bas. En particulier, dit-il, elle confirme l’existence de trous noirs de « masse intermédiaire » : des objets beaucoup plus massifs qu’une étoile typique, mais pas tout à fait aussi grands que les trous noirs supermassifs qui habitent les centres des galaxies.
Ilya Mandel, astrophysicien théorique à l’Université Monash de Melbourne, en Australie, qualifie cette découverte de « merveilleusement inattendue ».
L’événement, décrit dans deux articles publiés le 2 septembre1,2, a été détecté le 21 mai 2019, par les détecteurs jumeaux de l’Observatoire d’ondes gravitationnelles à interféromètre laser (LIGO) aux États-Unis et par l’observatoire Virgo, plus petit, près de Pise, en Italie. Il est nommé GW190521 d’après sa date de détection.
Masses interdites
Depuis 2015, LIGO et Virgo ont fourni de nouvelles informations sur le cosmos en détectant les ondes gravitationnelles. Ces ondulations dans le tissu de l’espace-temps peuvent révéler des événements tels que les fusions de trous noirs qui ne seraient normalement pas visibles avec les télescopes ordinaires.
À partir des propriétés des ondes gravitationnelles, comme la façon dont elles changent de hauteur, les astrophysiciens peuvent estimer la taille et d’autres caractéristiques des objets qui les ont produites alors qu’ils se précipitaient en spirale les uns dans les autres. Cela a révolutionné l’étude des trous noirs, en fournissant des preuves directes de l’existence de dizaines de ces objets, dont la masse varie de quelques fois à environ 50 fois la masse du Soleil.
Ces masses sont cohérentes avec les trous noirs qui se sont formés de manière « conventionnelle » – lorsqu’une très grande étoile n’a plus de combustible à brûler et s’effondre sous son propre poids. Mais la théorie conventionnelle dit que l’effondrement stellaire ne devrait pas produire de trous noirs entre environ 65 et 120 masses solaires. En effet, vers la fin de leur vie, les étoiles d’une certaine taille deviennent si chaudes en leur centre qu’elles commencent à convertir les photons en paires de particules et d’antiparticules – un phénomène appelé instabilité de paires. Cela déclenche la fusion explosive des noyaux d’oxygène, qui déchire l’étoile, la désintégrant complètement.
Dans leur dernière découverte, les détecteurs LIGO et Virgo n’ont détecté que les quatre dernières ondulations produites par les trous noirs en spirale, avec une fréquence qui est passée de 30 à 80 Hertz en un dixième de seconde. Alors que les trous noirs relativement petits continuent à « gazouiller » jusqu’à des fréquences plus élevées, les très grands fusionnent plus tôt et entrent à peine dans la partie inférieure de la gamme de fréquences à laquelle les détecteurs sont sensibles.
Dans ce cas, les deux objets ont été estimés à environ 85 et 66 masses solaires. « Cela correspond tout à fait à la fourchette dans laquelle on s’attendrait à ce que l’écart de masse de l’instabilité de la paire soit », déclare Christopher Berry, astrophysicien de LIGO à l’Université Northwestern à Evanston, Illinois.
Selma de Mink, astrophysicienne à l’Université Harvard à Cambridge, Massachusetts, place le seuil de l’instabilité de la paire encore plus bas, peut-être à 45 masses solaires, ce qui pousserait le plus léger des deux objets fermement dans la zone interdite, aussi. « Pour moi, les deux trous noirs sont inconfortablement massifs », dit-elle.
Troubles noirs non conventionnels
Pour expliquer leurs observations, les chercheurs de LIGO ont envisagé un éventail de possibilités, notamment que les trous noirs existent depuis la nuit des temps. Pendant des décennies, les chercheurs ont conjecturé que de tels trous noirs « primordiaux » auraient pu se former spontanément dans une large gamme de tailles peu après le Big Bang.
Le principal scénario envisagé par l’équipe est que les trous noirs sont devenus si grands parce qu’ils étaient eux-mêmes le résultat de fusions de trous noirs antérieures. Les trous noirs résultant de l’effondrement stellaire devraient grouiller à l’intérieur d’amas stellaires denses, et en principe ils pourraient subir des fusions répétées. Mais même ce scénario est problématique car, après une première fusion, le trou noir résultant devrait généralement recevoir un coup de pied des ondes gravitationnelles et s’éjecter de l’amas. Ce n’est que dans de rares cas que le trou noir resterait dans une zone où il pourrait subir une autre fusion.
Les fusions successives seraient plus probables si les trous noirs habitaient la région centrale encombrée de leur galaxie, dit de Mink, où la gravité est suffisamment forte pour empêcher les objets en recul de s’éjecter.
On ne sait pas dans quelle galaxie la fusion s’est produite. Mais à peu près dans la même région du ciel, une équipe de chercheurs a repéré un quasar – un centre galactique extrêmement brillant alimenté par un trou noir supermassif – subissant une éruption environ un mois après GW1905213. L’éruption pourrait avoir été une onde de choc dans le gaz chaud du quasar produite par le trou noir en recul, bien que de nombreux astronomes soient prudents pour accepter que les deux phénomènes soient liés.
C’est la deuxième fois cette année que la collaboration LIGO-Virgo s’aventure dans une gamme de masse « interdite » : en juin, ils ont décrit une fusion impliquant un objet d’environ 2,6 masses solaires – typiquement considéré comme trop léger pour être un trou noir mais trop massif pour être une étoile à neutrons4.