Une fusion binaire de trous noirs a probablement produit des ondes gravitationnelles égales à l’énergie de huit soleils – Technoguide

Malgré son immense vide, l’univers bourdonne d’activité sous forme d’ondes gravitationnelles. Produites par des phénomènes astrophysiques extrêmes, ces réverbérations ondulent et secouent le tissu de l’espace-temps, comme le cliquetis d’une cloche cosmique.

Maintenant, les chercheurs ont détecté un signal de ce qui pourrait être la fusion de trous noirs la plus massive jamais observée dans les ondes gravitationnelles. Le produit de la fusion est la première détection claire d’un trou noir de “masse intermédiaire”, avec une masse entre 100 et 1000 fois celle du soleil.

Ils ont détecté le signal, qu’ils ont étiqueté GW190521, le 21 mai 2019, avec le Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) de la National Science Foundation, une paire d’interféromètres identiques de 4 kilomètres de long aux États-Unis; et Virgo, un détecteur de 3 kilomètres de long en Italie.

Le signal, ressemblant à environ quatre secousses courtes, est d’une durée extrêmement brève, d’une durée inférieure à un dixième de seconde. D’après ce que les chercheurs peuvent dire, GW190521 a été généré par une source située à environ 5 gigaparsecs, alors que l’univers avait environ la moitié de son âge, ce qui en fait l’une des sources d’ondes gravitationnelles les plus éloignées détectées à ce jour.

Quant à ce qui a produit ce signal, basé sur une puissante suite d’outils de calcul et de modélisation de pointe, les scientifiques pensent que GW190521 a probablement été généré par une fusion binaire de trous noirs aux propriétés inhabituelles.

Presque tous les signaux d’ondes gravitationnelles confirmés à ce jour provenaient d’une fusion binaire, soit entre deux trous noirs ou deux étoiles à neutrons. Cette nouvelle fusion semble être la plus massive à ce jour, impliquant deux trous noirs inspirants avec des masses d’environ 85 et 66 fois la masse du soleil.

L’équipe LIGO-Virgo a également mesuré la rotation de chaque trou noir et a découvert que, alors que les trous noirs tournaient de plus en plus près l’un de l’autre, ils auraient pu tourner autour de leurs propres axes, à des angles qui n’étaient pas alignés avec l’axe de leur orbite. Les spins désalignés des trous noirs ont probablement fait vaciller leurs orbites, ou “précécessionner”, alors que les deux Goliaths se dirigeaient l’un vers l’autre.

Le nouveau signal représente probablement l’instant où les deux trous noirs ont fusionné. La fusion a créé un trou noir encore plus massif, d’environ 142 masses solaires, et a libéré une énorme quantité d’énergie, équivalente à environ 8 masses solaires, réparties dans l’univers sous la forme d’ondes gravitationnelles.

«Cela ne ressemble pas beaucoup à un gazouillis, ce que nous détectons généralement», déclare Nelson Christensen, membre de Virgo, chercheur au CNRS, comparant le signal à la première détection des ondes gravitationnelles par le LIGO. 2015. “Cela ressemble plus à quelque chose qui va ‘bang’, et c’est le signal le plus massif que LIGO et la Vierge aient vu.”

L’équipe internationale de scientifiques, qui composent la collaboration scientifique LIGO (LSC) et la collaboration Virgo, ont rapporté leurs résultats dans deux articles publiés aujourd’hui. L’un, apparaissant dans Physical Review Letters, détaille la découverte, et l’autre, dans The Astrophysical Journal Letters, discute des propriétés physiques du signal et des implications astrophysiques.

«LIGO nous surprend une fois de plus non seulement avec la détection de trous noirs de tailles difficiles à expliquer, mais en utilisant des techniques qui n’ont pas été conçues spécifiquement pour les fusions stellaires», déclare Pedro Marronetti, directeur du programme de physique gravitationnelle à la National Science Fondation. “Ceci est d’une importance capitale car il montre la capacité de l’instrument à détecter les signaux d’événements astrophysiques complètement imprévus. LIGO montre qu’il peut également observer l’inattendu.”

Dans l’écart de masse

Les masses exceptionnellement grandes des deux trous noirs inspirants, ainsi que le trou noir final, soulèvent de nombreuses questions concernant leur formation.

Tous les trous noirs observés à ce jour entrent dans l’une ou l’autre de deux catégories: les trous noirs de masse stellaire, qui mesurent de quelques masses solaires à des dizaines de masses solaires et sont censés se former lorsque des étoiles massives meurent; ou des trous noirs supermassifs, comme celui au centre de la galaxie de la Voie lactée, qui sont de centaines de milliers à des milliards de fois celui de notre soleil.

Cependant, le trou noir final de 142 masses solaires produit par la fusion GW190521 se situe dans une plage de masse intermédiaire entre les trous noirs de masse stellaire et supermassifs – le premier du genre jamais détecté.

Les deux trous noirs progéniteurs qui ont produit le trou noir final semblent également être uniques par leur taille. Ils sont si massifs que les scientifiques soupçonnent que l’un d’eux ou les deux ne se sont peut-être pas formés à partir d’une étoile qui s’effondre, comme le font la plupart des trous noirs de masse stellaire.

Selon la physique de l’évolution stellaire, la pression vers l’extérieur des photons et du gaz dans le noyau d’une étoile la soutient contre la force de gravité poussant vers l’intérieur, de sorte que l’étoile est stable, comme le soleil. Une fois que le noyau d’une étoile massive a fusionné des noyaux aussi lourds que le fer, il ne peut plus produire suffisamment de pression pour soutenir les couches externes. Lorsque cette pression extérieure est inférieure à la gravité, l’étoile s’effondre sous son propre poids, dans une explosion appelée supernova d’effondrement du noyau, qui peut laisser un trou noir.

Ce processus peut expliquer comment des étoiles aussi massives que 130 masses solaires peuvent produire des trous noirs pouvant atteindre 65 masses solaires. Mais pour les étoiles plus lourdes, on pense qu’un phénomène connu sous le nom d ‘«instabilité de paire» intervient. Lorsque les photons du noyau deviennent extrêmement énergétiques, ils peuvent se transformer en une paire d’électrons et d’antiélectrons. Ces paires génèrent moins de pression que les photons, provoquant l’instabilité de l’étoile face à l’effondrement gravitationnel, et l’explosion qui en résulte est suffisamment forte pour ne rien laisser derrière. Des étoiles encore plus massives, au-dessus de 200 masses solaires, finiraient par s’effondrer directement dans un trou noir d’au moins 120 masses solaires. Une étoile qui s’effondre, alors, ne devrait pas être capable de produire un trou noir entre environ 65 et 120 masses solaires – une plage qui est connue sous le nom de «écart de masse d’instabilité de paire».

Mais maintenant, le plus lourd des deux trous noirs qui ont produit le signal GW190521, à 85 masses solaires, est le premier détecté jusqu’à présent dans l’écart de masse d’instabilité de paire.

“Le fait que nous voyons un trou noir dans cet écart de masse incitera de nombreux astrophysiciens à se gratter la tête et à essayer de comprendre comment ces trous noirs ont été faits”, déclare Christensen, directeur du laboratoire Artemis au Observatoire de Nice en France.

Une possibilité, que les chercheurs envisagent dans leur deuxième article, est celle d’une fusion hiérarchique, dans laquelle les deux trous noirs ancêtres eux-mêmes pourraient s’être formés à partir de la fusion de deux trous noirs plus petits, avant de migrer ensemble et finalement de fusionner.

«Cet événement ouvre plus de questions qu’il n’apporte de réponses», déclare Alan Weinstein, membre du LIGO, professeur de physique à Caltech. “Du point de vue de la découverte et de la physique, c’est une chose très excitante.”

“Quelque chose d’inexplicable”

Il reste de nombreuses questions concernant le GW190521.

Alors que les détecteurs LIGO et Virgo écoutent les ondes gravitationnelles traversant la Terre, des recherches automatisées parcourent les données entrantes pour trouver des signaux intéressants. Ces recherches peuvent utiliser deux méthodes différentes: des algorithmes qui choisissent des modèles d’ondes spécifiques dans les données qui peuvent avoir été produits par des systèmes binaires compacts; et des recherches “en rafale” plus générales, qui recherchent essentiellement tout ce qui sort de l’ordinaire.

Salvatore Vitale, membre du LIGO, professeur adjoint de physique au MIT, assimile les recherches binaires compactes au “passage d’un peigne à travers des données, qui captera les choses dans un certain espacement”, contrairement aux recherches en rafale qui sont plutôt une approche “fourre-tout”. .

Dans le cas de GW190521, c’était une recherche en rafale qui a capté le signal un peu plus clairement, ouvrant la très petite chance que les ondes gravitationnelles proviennent de quelque chose d’autre qu’une fusion binaire.

«La barre pour affirmer que nous avons découvert quelque chose de nouveau est très élevée», déclare Weinstein. “Nous appliquons donc généralement le rasoir d’Occam: la solution la plus simple est la meilleure, qui dans ce cas est un trou noir binaire.”

Mais que se passerait-il si quelque chose d’entièrement nouveau produisait ces ondes gravitationnelles? C’est une perspective alléchante, et dans leur article, les scientifiques examinent brièvement d’autres sources de l’univers qui auraient pu produire le signal qu’ils ont détecté. Par exemple, peut-être que les ondes gravitationnelles ont été émises par une étoile qui s’effondre dans notre galaxie. Le signal pourrait également provenir d’une chaîne cosmique produite juste après le gonflement de l’univers à ses premiers instants – bien qu’aucune de ces possibilités exotiques ne corresponde aux données ainsi qu’à une fusion binaire.

«Depuis que nous avons activé LIGO pour la première fois, tout ce que nous avons observé avec confiance a été une collision de trous noirs ou d’étoiles à neutrons», déclare Weinstein. «C’est le seul événement où notre analyse permet la possibilité que cet événement ne soit pas une telle collision. Bien que cet événement soit cohérent avec une fusion de trous noirs binaires exceptionnellement massive et que les explications alternatives soient défavorables, il repousse les limites de notre confiance. Et cela le rend potentiellement extrêmement excitant. Parce que nous espérions tous quelque chose de nouveau, quelque chose inattendu, cela pourrait remettre en question ce que nous avons déjà appris. Cet événement a le potentiel de le faire. “

Cette recherche a été financée par la US National Science Foundation.

Vidéo: https://www.youtube.com/watch?time_continue=6&v=zRmwtL6lvIM&feature=emb_logo

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