Expliqué : deux trous noirs ont fusionné il y a des milliards d'années, mais cela laisse maintenant perplexe les scientifiques

LIGO et Virgo détectent les signaux des ondes gravitationnelles libérées lors de la fusion. L'un des deux trous noirs parents avait une masse intermédiaire inhabituelle, ce qui remet en question les connaissances scientifiques traditionnelles. Qu'est-ce qui est généralement compris, et qu'est-ce qui explique cette taille inhabituelle ?

Concept d'artiste illustrant un schéma hiérarchique de fusion des trous noirs. (Crédit : LIGO/Caltech/MIT/R Hurt [IPAC])

Il y a des milliards d'années, une collision entre deux trous noirs a envoyé des ondes gravitationnelles ondulant à travers l'univers. En 2019, les signaux de ces ondes ont été détecté à l'observatoire des ondes gravitationnelles LIGO (États-Unis) et le détecteur Virgo (Italie).

Cependant, ce qui a enthousiasmé les scientifiques, c'est la masse de l'un des trous noirs parents, qui défie les connaissances traditionnelles sur la formation des trous noirs.

La découverte et l'analyse sont décrites dans deux articles de recherche. Un, dans Lettres d'examen physique , détaille la découverte et propose des voies possibles par lesquelles la fusion inhabituelle a pu avoir lieu. L'autre papier, en Les lettres du journal astrophysique , discute des propriétés physiques du signal.

Qu'est-ce qui a été détecté exactement ?

C'était un signal d'une onde gravitationnelle, un domaine de découverte relativement nouveau. Les ondes gravitationnelles sont des ondulations invisibles qui se forment lorsqu'une étoile explose dans une supernova ; quand deux grosses étoiles tournent l'une autour de l'autre ; et quand deux trous noirs fusionnent. Voyageant à la vitesse de la lumière, les ondes gravitationnelles serrent et étirent tout sur leur passage.

Les ondes gravitationnelles ont été proposées par Albert Einstein dans sa théorie de la relativité générale il y a plus d'un siècle. Ce n'est qu'en 2015, cependant, que la première onde gravitationnelle a été réellement détectée - par LIGO. Depuis lors, il y a eu un certain nombre de détections ultérieures d'ondes gravitationnelles.

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Le signal détecté à LIGO et Virgo, tel que décrit par la collaboration LIGO, ressemblait à environ quatre courtes secousses et a duré moins d'un dixième de seconde.

D'où vient-il?

Une analyse ultérieure a suggéré que GW190521 avait très probablement été généré par la fusion de deux trous noirs. Le signal a probablement représenté l'instant où les deux ont fusionné. Il a été calculé qu'il provenait d'environ 17 milliards d'années-lumière et d'une époque où l'univers avait environ la moitié de son âge.

Mais ces découvertes ont conduit à d'autres questions. L'un des deux trous noirs fusionnés se situe dans une plage de masse intermédiaire - une inadéquation qui ne peut pas être expliquée par les connaissances traditionnelles sur la formation des trous noirs.

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Pourquoi est-ce inhabituel ?

Tous les trous noirs observés jusqu'à présent appartiennent à l'une ou l'autre de deux catégories. Une catégorie varie entre quelques masses solaires (une masse solaire est la masse de notre Soleil) et des dizaines de masses solaires. On pense que ceux-ci se forment lorsque des étoiles massives meurent.

L'autre catégorie est celle des trous noirs supermassifs. Celles-ci vont de centaines de milliers à des milliards de fois celle de notre soleil.

Selon les connaissances traditionnelles, les étoiles qui pourraient donner naissance à des trous noirs entre 65 et 120 masses solaires ne le font pas - les étoiles de cette gamme s'éclatent lorsqu'elles meurent, sans s'effondrer dans un trou noir.

Mais lors de la fusion menant au signal GW190521, le plus grand trou noir était de 85 masses solaires, bien dans cette plage inattendue, connue sous le nom d'écart de masse d'instabilité de paire. C'est le premier trou noir de masse intermédiaire jamais observé. (En fait, le plus petit trou noir est également limite, à 66 masses solaires.)

Les deux ont fusionné pour créer un nouveau trou noir d'environ 142 masses solaires. L'énergie équivalente à huit masses solaires a été libérée sous forme d'ondes gravitationnelles, conduisant à l'onde la plus forte jamais détectée par les scientifiques à ce jour.

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Comment le trou noir d'une masse inhabituelle a-t-il pu se former ?

Les chercheurs suggèrent que le trou noir de 85 masses solaires n'était pas le produit d'une étoile en train de s'effondrer, mais était lui-même le résultat d'une fusion précédente. Formé par une collision entre deux trous noirs, il est probable que le nouveau trou noir a ensuite fusionné avec le trou noir de 66 masses solaires, entraînant des ondes gravitationnelles et le signal reçu par LIGO et Virgo.

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