Des trous noirs énigmatiques révélés par des ondes gravitationnelles
Des astronomes assistent à la naissance d’un trou noir de masse intermédiaire
Des scientifiques détectent le premier trou noir de taille moyenne via des ondes gravitationnelles
La collision de trous noirs la plus massive détectée confirme les trous noirs insaisissables de poids moyen
Ondes gravitationnelles les plus anciennes et les plus éloignées détectées lors de la collision de deux trous noirs avec le premier trou noir de masse intermédiaire jamais découvert, à 7 milliards d’années-lumière
C’est la plus grosse prise à ce jour pour les détecteurs d’ondes gravitationnelles LIGO et Virgo : un trou noir de la masse de 142 soleils, résultant de la fusion de deux trous noirs de 85 et 65 fois la masse du Soleil. Le trou noir final est le plus lourd jamais observé avec des ondes gravitationnelles et il pourrait donner des indications sur la formation des trous noirs supermassifs qui siègent au centre de certaines galaxies. La masse de l’un des trous noirs fusionnés, 85 fois la masse du Soleil, fournit des preuves qui pourraient améliorer notre compréhension des dernières étapes de l’évolution des étoiles massives. La découverte, à laquelle ont contribué plusieurs équipes CNRS au sein de la collaboration Virgo, dont l’équipe Optomécanique et Mesures Quantiques du LKB, a été publiée le 2 septembre 2020 dans les revues Physical Review Letters et Lettres du journal astrophysique .
Détecter la naissance d’un trou noir issu de la fusion de deux autres, accompagnée de l’émission d’une énorme quantité d’énergie : ce nouvel épisode pourrait sembler anodin tant de telles détections ont été répétées à plusieurs reprises depuis 2015, lorsque les ondes gravitationnelles issues d’un tel phénomène a été observé pour la première fois. Cependant, GW190521, le signal enregistré le 21 mai 2019 par les instruments LIGO et Virgo, se démarque non seulement parce qu’il est le plus lointain et donc le plus ancien (l’onde gravitationnelle a mis 7 milliards d’années pour nous parvenir), mais aussi parce que le trou noir résultant est le plus lourd jamais vu. Surtout, cette observation est la première preuve directe de l’existence de trous noirs dits de « masse intermédiaire » (entre 100 et 100 000 fois plus massifs que le Soleil). Ces trous noirs sont plus lourds que ceux créés par l’effondrement d’étoiles massives, mais beaucoup plus légers que les trous noirs supermassifs logés au centre de certaines galaxies.
Les trous noirs fusionnés, avec leur masse d’environ 65 et 85 fois celle du Soleil, intriguent également les astrophysiciens. Selon les connaissances actuelles, l’effondrement gravitationnel d’une étoile ne peut pas former de trous noirs entre environ 60 et 120 masses solaires car les étoiles les plus massives sont complètement soufflées par l’explosion de supernova qui accompagne cet effondrement, ne laissant derrière elles que du gaz et de la poussière. Alors, comment le trou noir plus lourd s’est-il formé ? Y a-t-il quelque chose d’incompris sur la fin de vie des étoiles massives ? S’il n’a pas d’origine stellaire, pourrait-il être lui-même le résultat d’une fusion antérieure de trous noirs moins massifs ? S’agit-il au contraire d’un hypothétique trou noir primordial, formé lors du Big Bang ? 
L’observation de GW190521 soulève de nouvelles questions sur la formation des étoiles énigmatiques que sont les trous noirs. Extrait d’une simulation de la fusion des deux trous noirs. Une paire de trous noirs en orbite l’un autour de l’autre perd de l’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles. Les deux étoiles se rapprochent lentement l’une de l’autre, un phénomène qui peut durer des milliards d’années avant de s’accélérer brutalement. En une fraction de seconde, les deux trous noirs entrent alors en collision à environ la moitié de la vitesse de la lumière et fusionnent en un seul trou noir. La masse du trou noir résultant est inférieure à la somme des deux masses initiales car une partie de leur masse (ici, l’équivalent de 8 soleils, soit une énergie colossale) a été convertie en ondes gravitationnelles selon la célèbre formule d’Einstein E = mc².
C’est ce sursaut d’ondes gravitationnelles qu’ont observé les deux détecteurs LIGO (aux États-Unis) et le détecteur Virgo (en Italie). Au passage, cette onde se dilate puis se contracte dans l’espace-temps. Ainsi, tout objet qui se trouve sur la trajectoire d’une onde gravitationnelle voit sa longueur varier : ce sont ces infimes variations qui sont détectées dans les détecteurs LIGO et Virgo.
Les ondes gravitationnelles dirigent les scientifiques vers le trou noir insaisissable du chaînon manquant
Les astrophysiciens sont super excités par un nouveau « bang » d’ondes gravitationnelles.
Un nouveau son a rejoint la symphonie de l’univers tel que nous l’entendons. Depuis 2015, les astrophysiciens utilisent des détecteurs d’ondes gravitationnelles pour « entendre » des signaux de type chirp et décoder des collisions massives qui envoient de subtiles ondulations dans l’espace-temps. Maintenant, les scientifiques ont entendu un nouveau type de son, un « bang » rapide et profond qui pourrait révéler encore plus de secrets cosmiques, selon de nouvelles recherches du Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) et de son homologue européen, Virgo.
« C’est une autre première », a déclaré à Space.com Gabriela Gonzalez, physicienne à la Louisiana State University et membre de l’énorme équipe à l’origine de la nouvelle recherche. « On ne se lasse jamais des premières. »
Après plus d’un an à étudier l’étrange nouveau signal, surnommé GW190521, les scientifiques pensent savoir ce qui l’a causé : la plus grande fusion de trous noirs vue à ce jour, résultant en un trou noir de masse intermédiaire jamais vu jusqu’ici .
Un coup de tonnerre à travers l’univers
Alors que les scientifiques ont pris leur temps pour l’analyse, le signal s’est tout de suite imposé comme quelque chose d’unique. Zsuzsanna Marka se souvient très bien du 21 mai 2019, les détecteurs de nuit ont capté le signal. Marka est l’une des quelques dizaines d’astrophysiciens qui ont connecté leur téléphone au cosmos et reçoivent des alertes chaque fois que les détecteurs d’ondes gravitationnelles entendent un signal possible dans l’univers.
« Si un événement se produit la nuit, je me réveille », a déclaré Marka, co-auteur de la nouvelle recherche et astronome à l’Université de Columbia, à Space.com. Elle reçoit les alertes afin qu’elle puisse vérifier si de tels événements sont accompagnés d’une explosion de minuscules particules appelées neutrinos . Mais alors qu’elle travaillait cette nuit-là, au fond de son esprit, elle savait déjà qu’il s’agissait d’une détection spéciale.
« Je n’ai pas pu m’empêcher de remarquer la grand-messe », a déclaré Marka. Elle se souvient avoir pensé : « C’est génial. C’est énorme. C’est vraiment l’un des événements incroyablement massifs que nous espérions voir, mais il n’était pas clair que, en fait, ces trous noirs massifs existent. »
Les trous noirs sont de tailles différentes : les trous noirs stellaires, qui font 10 à 25 fois la masse de notre soleil, selon la NASA(s’ouvre dans un nouvel onglet), et des trous noirs supermassifs, des millions de fois ou plus, les mastodontes qui se cachent au cœur de galaxies comme la Voie lactée . Mais les astronomes ont soupçonné qu’il pourrait y avoir quelque chose entre les deux : des trous noirs de masse intermédiaire qui pointent quelque chose comme 100 à 1 000 fois la masse du soleil, selon LIGO.
Un trou noir de masse intermédiaire ne peut pas se former comme le font la plupart des petits trous noirs, à partir des explosions d’étoiles mourantes . Les étoiles perdent toujours de la matière au cours de ce processus, mais après qu’une étoile atteigne une certaine taille, quelle que soit sa taille, lorsqu’elle explose, elle se traduira par un trou noir d’environ 65 fois la masse de notre soleil. Selon LIGO, les étoiles qui explosent plus grandes jettent simplement plus de matière, se retrouvant avec des trous noirs à la même taille maximale.
Et jusqu’à présent, ces objets théorisés ont été insaisissables même selon les normes déjà mystérieuses des trous noirs. Alors que les scientifiques ont commencé à observer des trous noirs stellaires à partir des détections antérieures de LIGO et des trous noirs supermassifs à partir de l’image du télescope Event Horizon de l’objet au cœur de la galaxie M87, il n’en a pas été de même pour les trous noirs de masse intermédiaire.
Ce nouveau bang représente la première preuve observationnelle de cette classe d’objets, puisque les calculs suggèrent que le signal a été créé lorsqu’un trou noir de masse intermédiaire avec 85 fois la masse de notre soleil est entré en collision avec un trou noir stellaire de 66 fois la masse du soleil .
« LIGO nous surprend une fois de plus non seulement avec la détection de trous noirs de tailles difficiles à expliquer, mais en le faisant en utilisant des techniques qui n’ont pas été conçues spécifiquement pour les fusions stellaires », a déclaré Pedro Marronetti, directeur du programme de physique gravitationnelle à la National Science Foundation. , qui finance les détecteurs LIGO, a déclaré dans un communiqué.
« C’est d’une importance capitale car cela montre la capacité de l’instrument à détecter des signaux provenant d’événements astrophysiques complètement imprévus », a déclaré Marronetti. « LIGO montre qu’il peut aussi observer l’inattendu. »
Une nouvelle génération de trous noirs, ou quelque chose de plus exotique ?
Comme d’habitude, lorsqu’il s’agit d’ondes gravitationnelles, les scientifiques doivent construire leurs hypothèses autour des rares informations qu’ils peuvent déchiffrer à partir d’une observation.
Dans le cas de l’onde gravitationnelle candidate GW190521, le signal était beaucoup plus bref que les détections précédentes de LIGO, ne durant qu’un dixième de seconde. C’était aussi une fréquence beaucoup plus basse que les signaux produits par les précédentes fusions de trous noirs. Les scientifiques pourraient également tracer le signal jusqu’à une bande de ciel particulière .À partir de ces informations, les astrophysiciens peuvent calculer la distance à laquelle une collision se produit – à environ 7 milliards d’années-lumière, dans ce cas. Les scientifiques peuvent également calculer les tailles des deux objets qui sont entrés en collision, dans ce cas 85 et 66 fois la masse de notre soleil, et de l’objet résultant, environ 142 fois la masse du soleil. (Lors d’une collision, une certaine masse est perdue sous forme d’énergie des ondes gravitationnelles.)
« Deux trous noirs fusionnent, forment un nouveau trou noir … puis ils fusionnent à nouveau », a déclaré Marka. « Cela ne peut arriver que si vous avez un environnement très dense où vous avez beaucoup de trous noirs. »
Elle espère que la collision s’est produite près d’un noyau galactique actif , un objet capricieux massif au centre d’une galaxie qui, grâce à sa puissante gravité, peut ancrer d’autres objets à proximité, bien qu’il n’y ait aucun moyen pour les scientifiques de savoir si c’est l’histoire derrière GW190521, compte tenu des données dont ils disposent à ce sujet.
De plus, repérer davantage de trous noirs de masse intermédiaire fusionnants pourrait résoudre une énigme en cours concernant leurs plus grands cousins, les trous noirs supermassifs, dont les scientifiques ne peuvent pas expliquer les origines .« Ce sont les éléphants d’un million de masse solaire dans la pièce », a déclaré Christopher Berry, astrophysicien à la Northwestern University et chercheur au LIGO, dans un deuxième communiqué. « Proviennent-ils de trous noirs de masse stellaire, qui naissent lorsqu’une étoile s’effondre, ou sont-ils nés par un moyen non découvert ? Nous avons longtemps cherché un trou noir de masse intermédiaire pour combler le fossé entre la masse stellaire et le trou noir supermassif. Maintenant, nous avons la preuve que des trous noirs de masse intermédiaire existent.
Malgré l’enthousiasme des scientifiques à propos du signal et la possibilité qu’ils aient vu un trou noir de masse intermédiaire, ils ne peuvent pas être certains que leur hypothèse actuelle est correcte. Bien que la fusion de deux trous noirs corresponde le mieux aux données, les astrophysiciens envisagent également des explications plus exotiques.
« Et si quelque chose d’entièrement nouveau produisait ces ondes gravitationnelles ? » Vicky Kalogera, une autre spécialiste de LIGO à la Northwestern University, a déclaré dans le même communiqué. « C’est une perspective alléchante. » Elle a ajouté que les hypothèses actuelles concernant la cause du signal incluent l’effondrement d’une étoile de la Voie lactée ou d’une ancienne corde cosmique .
Après le premierEn ce moment, les détecteurs LIGO et Virgo sont hors ligne, contraints de fermer fin mars par la pandémie de coronavirus qui ravage toujours le globe. Mais les astrophysiciens prévoient de faire évoluer les détecteurs et leurs algorithmes, puis de se remettre à écouter l’univers.
Les deux types de mises à niveau seront cruciaux pour détecter plus de signaux comme GW190521. Rendre les détecteurs eux-mêmes plus sensibles permettra aux scientifiques de capturer des signaux toujours plus éloignés, et affiner les algorithmes qui traitent les données permettra aux scientifiques d’identifier plus facilement des signaux plus brefs comme celui-ci.
Et voir ce qui semble être la collision de deux trous noirs qui ont eux-mêmes été formés par des fusions est de bon augure pour le nombre total de signaux à observer, a déclaré Gonzalez.
« J’espère que cela signifie qu’il y a beaucoup plus de trous noirs – il se pourrait que ce soient des amas de trous noirs, que parce qu’ils sont regroupés, ils fusionnent plus souvent « , a-t-elle déclaré. « J’espère que ces amas sont grands et qu’ils se trouvent dans de nombreux endroits afin que nous puissions voir plus de trous noirs. »
Mais elle et ses collègues devront voir ce que les futures observations apporteront.
« La nature fait ce qu’elle fait, nous ne pouvons pas dire à la nature quoi faire », a déclaré Gonzalez. « Nous prenons les données et faisons les découvertes et laissons les astrophysiciens théoriciens spéculer et inventer de nouvelles théories sur ce qui pourrait produire ces grands trous noirs. »
La recherche est décrite dans deux articles(s’ouvre dans un nouvel onglet)publié aujourd’hui (2 septembre) dans les revues Physical Review Letters et The Astrophysical Journal Letters.
Des astronomes assistent à la naissance d’un trou noir de masse intermédiaire
Les astronomes utilisant les détecteurs jumeaux LIGO situés à Livingston, en Louisiane, et à Hanford, dans l’État de Washington, et le détecteur Virgo situé près de Pise, en Italie, ont détecté des ondes gravitationnelles provenant de la fusion de trous noirs binaires la plus massive jamais découverte. Les deux trous noirs en rotation ont fusionné alors que l’Univers n’avait que 7 milliards d’années environ, soit environ la moitié de son âge actuel, et ont formé un trou noir plus grand pesant 142 fois la masse du Soleil – un soi-disant noir de masse intermédiaire. Les astronomes savent que les trous noirs de masse stellaire – des trous noirs allant de 10 à 100 fois la masse du Soleil – sont les restes d’étoiles mourantes, et que les trous noirs supermassifs, plus de 1 000 000 fois la masse du Soleil, habitent les centres de la plupart des galaxies. Mais disséminés dans l’Univers, quelques trous noirs apparents d’un type plus mystérieux. Allant de 100 à 10 000 masses solaires, ces trous noirs de masse intermédiaire sont si difficiles à mesurer que même leur existence est parfois contestée.
Le trou noir final de 142 masses solaires produit par la fusion récemment découverte se situe dans cette plage de masse intermédiaire entre les trous noirs de masse stellaire et supermassif. « Dès le début, ce signal, qui ne dure qu’un dixième de seconde, nous a mis au défi d’identifier son origine », a déclaré le professeur Alessandra Buonanno, chercheuse à l’Université du Maryland et au Max Planck Institute for Gravitational Physics. « Mais, malgré sa courte durée, nous avons pu faire correspondre le signal à celui attendu des fusions de trous noirs, comme prédit par la théorie de la relativité générale d’Einstein, et nous avons réalisé que nous avions assisté, pour la première fois, à la naissance d’un intermédiaire. -trou noir de masse d’un parent trou noir qui est très probablement né d’une fusion binaire antérieure.
Baptisé GW190521, le signal d’onde gravitationnelle a été détecté le 21 mai 2019 à 03:02:29 UTC. Il provenait de deux trous noirs pesant respectivement 85 et 66 fois la masse du Soleil.
Le plus grand des deux trous noirs est considéré comme « impossible ». Les astronomes prédisent que les étoiles entre 65 et 130 masses solaires subissent un processus appelé instabilité de paire, entraînant l’éclatement de l’étoile, ne laissant rien derrière elle. « La masse du plus grand trou noir de la paire le place dans la plage où il est inattendu des processus astrophysiques réguliers », a déclaré le professeur Peter Shawhan, scientifique à l’Université du Maryland.
« Il semble trop massif pour avoir été formé à partir d’une étoile effondrée, d’où proviennent généralement les trous noirs. » « Le trou noir » impossible « formé par la collision se trouve dans le désert du trou noir entre 100 et 1 000 fois la masse du Soleil », a ajouté le professeur Susan Scott, chercheuse au Centre d’excellence ARC pour la découverte des ondes gravitationnelles (OzGrav) à l’Université nationale australienne. « Nous sommes très heureux d’avoir réalisé la première observation directe d’un trou noir de masse intermédiaire dans cette gamme de masse. » « Nous avons également vu comment il s’est formé, confirmant que des trous noirs de masse intermédiaire peuvent être produits par la fusion de deux trous noirs plus petits. »
Le signal GW190521, ressemblant à environ quatre mouvements courts, a été extrêmement bref, durant moins d’un dixième de seconde.
D’après ce que les chercheurs peuvent dire, il a été généré par une source située à environ 5 Gpc, lorsque l’Univers avait environ la moitié de son âge actuel, ce qui signifie que le signal a traversé l’espace pendant 7 milliards d’années avant d’atteindre la Terre.
La source de GW190521 est la source d’ondes gravitationnelles la plus éloignée détectée à ce jour. « Cela ne ressemble pas beaucoup à un gazouillis, ce que nous détectons généralement », a déclaré le Dr Nelson Christensen, chercheur au Centre national français de la recherche scientifique. « Cela ressemble plus à quelque chose qui fait ‘bang’, et c’est le signal le plus massif que LIGO et Virgo aient vu. »
En utilisant le Zwicky Transient Facility, les astronomes ont peut-être repéré une lumière parasite lors de la collision GW190521. C’est surprenant, car les trous noirs et leurs fusions sont normalement sombres pour les télescopes. Une théorie est que le système aurait pu orbiter autour d’un trou noir supermassif.
Le trou noir nouvellement formé a peut-être reçu un coup de pied de la collision, tirant dans une nouvelle direction et traversant le disque de gaz entourant le trou noir supermassif, le faisant s’allumer.
« Il existe un certain nombre d’environnements différents dans lesquels ce système de deux trous noirs aurait pu se former, et le disque de gaz entourant un trou noir supermassif en fait certainement partie », a déclaré le Dr Vaishali Adya, chercheur postdoctoral au Centre ARC. d’excellence pour la découverte des ondes gravitationnelles (OzGrav) à l’Université nationale australienne.
« Mais il est également possible que ce système se soit composé de deux trous noirs primordiaux qui se sont formés au début de l’Univers. »
« Chaque observation que nous faisons de la collision de deux trous noirs nous donne des informations nouvelles et surprenantes sur la vie des trous noirs dans tout l’Univers. »
« Nous commençons à combler les lacunes de masse des trous noirs que l’on croyait auparavant exister, avec des trous noirs » impossibles « qui ont été révélés grâce à nos détections. »
Des scientifiques détectent le premier trou noir de taille moyenne via des ondes gravitationnelles
Grâce aux détecteurs LIGO et Virgo, les scientifiques ont enfin entendu le «bang» vieux de 7 milliards d’années de la création d’un trou noir de masse intermédiaire.
Cinq ans après la détection des premières ondes gravitationnelles , les scientifiques de LIGO et de Virgo ont une fois de plus contribué à faire progresser notre compréhension du cosmos.
Le 21 mai 2019, les chercheurs ont identifié un ensemble unique d’ondes gravitationnelles, ou ondulations dans le tissu de l’espace-temps, qu’ils n’avaient jamais vu auparavant. D’une part, les ondes provenaient de la moitié de l’univers, soit à environ 7 milliards d’années-lumière, ce qui en fait le signal d’onde gravitationnelle le plus éloigné jamais détecté. 
Mais plus important encore, les chercheurs pensent que ces ondes gravitationnelles indiquent la fusion de deux trous noirs déjà bizarres qui ont formé un trou noir de taille moyenne jamais confirmé auparavant. En d’autres termes, les chercheurs pensent avoir trouvé la première preuve directe d’une race spéciale de trou noir appelée trou noir de masse intermédiaire (IMBH).
Les astronomes pensent que les IMBH comblent un vide entre les trous noirs de masse stellaire (qui sont de quelques à 100 masses solaires et sont créés lorsque d’énormes étoiles s’effondrent) et les trous noirs supermassifs (qui sont des millions à des milliards de masses solaires et se cachent au centre de la plupart des galaxies). Et bien que la gamme de masse exacte de chaque classe de trou noir dépende de qui vous demandez, la plupart des astronomes conviennent que, à 142 masses solaires, cet objet nouvellement formé correspond à la facture d’un IMBH.
Les observations et les détails supplémentaires de la découverte ont été publiés le 2 septembre dans Physical Review Letters , tandis qu’une analyse du signal et de ses implications a été publiée le même jour dans The Astrophysical Journal Letters .
Un désert de trou noir 
Le signal de fusion, appelé GW190521, n’a duré qu’un dixième de seconde – mais les scientifiques ont immédiatement réalisé qu’il était extraordinaire par rapport à la première détection de LIGO en 2015.
« Cela ne ressemble pas beaucoup à un » bip « , ce que nous détectons généralement », a déclaré Nelson Christensen, membre de Virgo, dans le communiqué de presse de LIGO. « Cela ressemble plus à quelque chose qui fait ‘bang’, et c’est le signal le plus massif que LIGO et Virgo aient vu. »
Sans surprise, cet étrange signal a été produit par la fusion de deux trous noirs tout aussi étranges avec des masses d’environ 66 et 85 masses solaires, ce qui soulève quelques questions quant à leur formation. 
Au cours d’une vie stellaire typique, les étoiles sont capables de supporter leur poids car la fusion interne génère une force vers l’extérieur qui équilibre l’écrasement de la gravité vers l’intérieur. Mais si une étoile est suffisamment massive, une fois à court de carburant, elle ne peut plus lutter contre l’effondrement gravitationnel. En fin de compte, le noyau d’une telle étoile s’effondre sous son propre poids avant de rebondir sous la forme d’une supernova dramatique.
Mais toute étoile qui pourrait théoriquement former un trou noir entre 65 et 120 masses solaires, comme l’un ou l’autre ancêtre de cette fusion unique, n’explose pas en supernova. Cela signifie qu’il ne devrait pas y avoir de trous noirs nés de l’effondrement d’étoiles dans cette gamme de masse.Au lieu de cela, lorsqu’une étoile aussi grande commence son agonie, un phénomène connu sous le nom d ‘« instabilité de paire » se déclenche et l’étoile devient instable au point d’éviter l’effondrement gravitationnel – du moins pendant un certain temps. Et quand il explose enfin, il ne laisse rien derrière lui. (À l’autre extrémité du spectre, les étoiles au-dessus de 120 masses solaires ne deviennent jamais supernova car elles s’effondrent directement dans les trous noirs.)
« Plusieurs scénarios prédisent la formation de trous noirs dans ce que l’on appelle l’écart de masse d’instabilité de paires : ils pourraient résulter de la fusion de trous noirs plus petits », a déclaré Michela Mapelli, membre de la collaboration Virgo, dans le communiqué de presse de Virgo. « Cependant, il est également possible que nous devions revoir notre compréhension actuelle des dernières étapes de la vie de la star. »
Choses étranges : Ce n’est cependant pas le seul aspect étrange de cet événement d’ondes gravitationnelles. Le « bang » mentionné par Christensen a été repris par l’approche plus « fourre-tout » que LIGO et Virgo utilisent pour identifier les ondes gravitationnelles. Plutôt que des humains passant au peigne fin les données, les algorithmes recherchent tous les signaux qui semblent étranges ou intrigants.
Bien que peu probable, les chercheurs admettent que la durée étrangement courte du signal, combinée à d’autres aspects étranges, signifie que GW190521 aurait pu être produit par quelque chose de complètement inattendu. Mais cela fait partie de l’excitation. « Et si quelque chose d’entièrement nouveau produisait ces ondes gravitationnelles ? », a demandé Vicky Kalogera, membre de la collaboration LIGO, dans un communiqué de presse de Northwestern. « C’est une perspective alléchante. » 
Dans leur article, les scientifiques examinent brièvement quels autres types de sources pourraient être responsables de ce signal unique en son genre. Une possibilité est que l’effondrement d’une étoile dans notre propre Voie lactée aurait pu produire une fréquence similaire. Mais les chercheurs pensent que c’est peu probable car d’autres indicateurs d’une supernova locale, tels que les neutrinos, manquent. Une autre possibilité est que le signal soit le résultat d’une corde cosmique – un défaut hypothétique dans l’espace-temps produit dans les premiers instants suivant l’inflation. Ou peut-être que les deux trous noirs progéniteurs ne se sont pas formés par des fusions ou un effondrement stellaire, mais ont plutôt commencé comme des trous noirs primordiaux . Bien que ces explications alternatives soient improbables, elles révèlent tout de même combien de voies potentielles la recherche sur les ondes gravitationnelles peut débloquer. Ou, comme l’a dit le porte-parole de Virgo, Giovanni Losurdo : « Les observations faites par Virgo et LIGO éclairent l’univers sombre et définissent un nouveau paysage cosmique. »
Un «bang» rapide signale la source d’ondes gravitationnelles la plus massive jamais détectéeDes scientifiques détectent le premier trou noir de «masse intermédiaire» du genre
Une collaboration de recherche internationale comprenant des astronomes de l’Université Northwestern a été témoin de la naissance d’un trou noir de « masse intermédiaire » . Il s’agit de la première découverte concluante d’un trou noir de masse intermédiaire, un objet qui a longtemps échappé aux astronomes. L’événement cosmique, son énergie détectée sur Terre sous forme d’ ondes gravitationnelles , est la fusion de trous noirs la plus massive jamais observée dans les ondes gravitationnelles.
Deux trous noirs sont probablement entrés en collision et ont fusionné pour créer un trou noir plus massif avec une masse finale de 142 fois celle du soleil, soit 142 masses solaires. Ce dernier trou noir est le premier à être trouvé dans une gamme de masse intermédiaire qui se situe entre les trous noirs de masse stellaire et supermassif. Une autre première est que le plus lourd des deux trous noirs fusionnés, à 85 masses solaires, est le premier trou noir détecté à ce jour dans ce que l’on appelle «l’écart de masse d’instabilité de paires».
Les chercheurs ont détecté le signal d’ondes gravitationnelles le 21 mai 2019, avec le LIGO de la National Science Foundation (Laser Interferometry Gravitational-wave Observatory (LIGO), 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 a été surnommé GW190521.
L’équipe de scientifiques, qui composent la collaboration scientifique LIGO (LSC) et la collaboration Virgo, a rendu compte de ses découvertes dans deux articles qui seront publiés aujourd’hui (2 septembre 2020). L’un, paru dans Physical Review Letters , détaille la découverte du signal d’onde gravitationnelle, et l’autre, dans Astrophysical Journal Letters , discute des propriétés physiques du signal et des implications astrophysiques.
Christopher Berry, professeur de recherche du CIERA Board of Visitors au CIERA (Centre d’exploration et de recherche interdisciplinaires en astrophysique) de Northwestern, était l’un des examinateurs du comité de rédaction du LSC pour l’article de découverte. Chase Kimball, également membre du LSC et titulaire d’un doctorat en astronomie du Nord-Ouest. étudiant, a contribué à l’analyse des origines astrophysiques de GW190521 dans l’article sur les implications. Kimball est co-dirigé par Berry et Vicky Kalogera, chercheur principal du groupe LSC de Northwestern, directeur de CIERA et professeur émérite de physique et d’astronomie Daniel I. Linzer au Weinberg College of Arts and Sciences.
« L’un des grands mystères de l’astrophysique est de savoir comment se forment les trous noirs supermassifs ? » dit Berry. «Ils sont le million d’éléphants de masse solaire dans la pièce. Proviennent-ils de trous noirs de masse stellaire, qui naissent lorsqu’une étoile s’effondre, ou naissent-ils par un moyen non découvert ? Nous avons longtemps cherché un trou noir de masse intermédiaire pour combler le fossé entre les trous noirs de masse stellaire et supermassif. Maintenant, nous avons la preuve que les trous noirs de masse intermédiaire existent.
Le signal de GW190521, ressemblant à environ quatre mouvements courts, a été extrêmement bref, durant moins d’un dixième de seconde. D’après ce que les chercheurs peuvent dire, il a été généré par une source située à environ 5 gigaparsecs, lorsque l’univers avait environ la moitié de son âge actuel, ce qui signifie que le signal a traversé l’espace pendant 7 milliards d’années avant d’atteindre la Terre. La source de GW190521 est la source d’ondes gravitationnelles la plus éloignée détectée à ce jour.
« Cela ne ressemble pas beaucoup à un gazouillis, ce que nous détectons généralement », a déclaré Nelson Christensen, membre de Virgo et chercheur au Centre national français de la recherche scientifique, comparant le signal à la première détection d’ondes gravitationnelles par LIGO en 2015. » Cela ressemble plus à quelque chose qui fait « bang », et c’est le signal le plus massif que LIGO et Virgo aient vu. »
Presque tous les signaux d’ondes gravitationnelles confirmés à ce jour proviennent 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 masses solaires.
« Les observations d’ondes gravitationnelles sont révolutionnaires », a déclaré Berry. « Chaque nouvelle détection affine notre compréhension de la formation des trous noirs. Avec ces percées dans les ondes gravitationnelles, il ne faudra pas longtemps avant que nous disposions de suffisamment de données pour découvrir les secrets de la naissance et de la croissance des trous noirs.
L’équipe LIGO-Virgo a également mesuré la rotation de chaque trou noir et a découvert que, comme les trous noirs tournaient de plus en plus près les uns des autres, 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 « précession », alors que les deux Goliath tournaient 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, répartie dans l’Univers sous forme d’ondes gravitationnelles.
« LIGO nous surprend une fois de plus non seulement avec la détection de trous noirs de tailles difficiles à expliquer, mais en le faisant en utilisant des techniques qui n’ont pas été conçues spécifiquement pour les fusions stellaires », a déclaré Pedro Marronetti, directeur du programme de physique gravitationnelle au National Science Fondation. « C’est d’une importance capitale car cela montre la capacité de l’instrument à détecter les signaux d’événements astrophysiques complètement imprévus. LIGO montre qu’il peut aussi observer l’inattendu.
Dans l’écart de masse
Les masses particulièrement importantes des deux trous noirs en spirale, ainsi que du trou noir final, soulèvent une multitude de questions concernant leur formation.
Tous les trous noirs observés à ce jour appartiennent à l’une ou l’autre de ces deux catégories : les trous noirs de masse stellaire, qui mesurent de quelques masses solaires jusqu’à des dizaines de masses solaires et dont on pense qu’ils se forment 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 la masse de notre soleil.
Cependant, le trou noir 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. Et les deux trous noirs qui ont produit le trou noir final semblent également être uniques dans leur taille. Ils sont si massifs que les scientifiques soupçonnent que l’un ou les deux ne se sont 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 extérieure 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 avec des noyaux aussi lourds que du fer, il ne peut plus produire suffisamment de pression pour supporter 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 à effondrement du cœur, qui peut laisser derrière elle 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 » se produit. 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, ce qui rend l’étoile instable 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 ne devrait donc pas être capable de produire un trou noir entre environ 65 et 120 masses solaires – une plage connue sous le nom de « écart de masse d’instabilité de paire ».
Mais maintenant, le plus lourd des deux trous noirs qui a produit le signal GW190521, à 85 masses solaires, est le premier détecté jusqu’à présent avec confiance dans l’écart de masse d’instabilité de paire. Les astrophysiciens pensent que des trous noirs se forment à partir de l’effondrement d’étoiles, mais un trou noir de 85 masses solaires devrait être impossible de cette façon, a déclaré Northwestern’s Berry.
« Il existe de nombreuses idées sur la façon de contourner ce problème – fusionner deux étoiles ensemble, intégrer le trou noir dans un disque épais de matière qu’il peut avaler, ou des trous noirs primordiaux créés à la suite du Big Bang », a-t-il déclaré . « L’idée que j’aime vraiment est une fusion hiérarchique où nous avons un trou noir formé à partir de la fusion précédente de deux trous noirs plus petits. »
Une fusion hiérarchique, dans laquelle les deux trous noirs progéniteurs eux-mêmes peuvent s’être formés à partir de la fusion de deux trous noirs plus petits, avant de migrer ensemble et finalement de fusionner, est une possibilité que les chercheurs envisagent dans leur deuxième article. Kimball, Berry et Kalogera ont étudié les fusions hiérarchiques guidées par des prédictions théoriques indépendantes d’autres chercheurs de Northwestern. « Après tant d’observations d’ondes gravitationnelles depuis la première détection en 2015, il est excitant que l’univers nous lance encore de nouvelles choses, et ce trou noir de 85 masses solaires est tout à fait la courbe », a déclaré Kimball.
Pour l’article sur les implications de GW190521, Kimball a calculé les taux de fusion, l’un des éléments d’information clés pour l’interprétation astrophysique, et a dirigé le calcul de la probabilité que la source soit le résultat d’une fusion hiérarchique. Les chances pour ou contre une fusion hiérarchique sont à peu près égales lorsque l’on considère des fusions dans des amas globulaires, des boules denses de centaines de milliers d’étoiles et des trous noirs, mais les chances peuvent être meilleures pour une fusion au cœur dense d’une galaxie.
Discutant des résultats, Kimball a déclaré: «Bien que l’origine de GW190521 soit un mystère, je suis particulièrement enthousiasmé par la perspective qu’il soit le résultat d’une fusion hiérarchique. À l’avenir, avec davantage de fusions de trous noirs binaires et une meilleure compréhension de l’écart de masse d’instabilité des paires, nous devrions être en mesure de dire plus définitivement si le grand trou noir de GW190521 était lui-même le produit d’une fusion précédente.
« Cet événement soulève plus de questions qu’il n’apporte de réponses », a déclaré Alan Weinstein, membre du LIGO, professeur de physique au California Institute of Technology. « Du point de vue de la découverte et de la physique, c’est une chose très excitante. »
‘Quelque chose d’inexplicable’
Les détecteurs LIGO et Virgo peuvent détecter des signaux d’ondes gravitationnelles provenant de nombreuses sources. Dans le cas de GW190521, le signal est suffisamment court pour qu’il puisse être interprété comme autre chose qu’un binaire de trous noirs, ouvrant la très faible chance que les ondes gravitationnelles soient issues d’une nouvelle source autre qu’une fusion binaire.
« Et si quelque chose d’entièrement nouveau produisait ces ondes gravitationnelles ? » dit Kalogera. « C’est une perspective alléchante, et dans le document sur les implications, les scientifiques examinent brièvement d’autres sources dans l’univers qui pourraient avoir produit 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 que l’univers se soit gonflé dans ses premiers instants – bien qu’aucune de ces possibilités exotiques ne corresponde aux données ainsi qu’à une fusion binaire.
Les détecteurs LIGO et Virgo ont terminé leur dernière campagne d’observation en mars dernier. Les données de cette période sont toujours en cours d’analyse et devraient contenir beaucoup plus de signaux d’ondes gravitationnelles. Les détecteurs devraient reprendre l’observation l’année prochaine après que des travaux auront été effectués pour augmenter leur portée de détection ; les détecteurs LIGO et Virgo seront également rejoints pour la première fois par le détecteur japonais KAGRA. Le réseau mondial de détecteurs amélioré devrait faire plus de découvertes d’ondes gravitationnelles que jamais auparavant.
À 7 milliards d’années-lumière de distance, une paire de trous noirs en collision a livré, sur un plateau brillant d’ondes gravitationnelles , l’une des détections les plus recherchées en astronomie des trous noirs – le trou noir extrêmement insaisissable « de poids moyen », qui se trouve dans entre les trous noirs de masse stellaire et les mastodontes supermassifs.
Non seulement, cependant, les deux trous noirs en collision se sont combinés pour former ce trou noir de masse intermédiaire, mais l’un d’eux était une autre licorne de trou noir – tombant carrément dans ce qu’on appelle le « écart de masse supérieur », entre les trous noirs de masse stellaire. et intermédiaires, où aucun trou noir n’a jamais été détecté dans la Voie lactée.
« Cet événement soulève plus de questions qu’il n’apporte de réponses », a déclaré Alan Weinstein, membre du LIGO et physicien de Caltech . « Du point de vue de la découverte et de la physique, c’est une chose très excitante. »
Le signal d’onde gravitationnelle de la collision, détecté par les interféromètres LIGO et Virgo le 21 mai 2019, était extrêmement court par rapport aux détections de collision précédentes.
Mais un travail acharné pour l’analyser a révélé que le produit de la fusion était un trou noir d’environ 142 fois la masse du Soleil, et que les deux objets qui l’ont créé avaient des masses solaires de 66 et 85. C’est plus massif que toutes les collisions de trous noirs que nous avons détectées au cours des cinq années écoulées depuis la première détection des ondes gravitationnelles .
« Dès le début, ce signal, qui ne dure qu’un dixième de seconde, nous a mis au défi d’identifier son origine », a déclaré la physicienne théoricienne Alessandra Buonanno de l’Institut Max Planck de physique gravitationnelle en Allemagne et de l’Université du Maryland.
« Mais, malgré sa très courte durée, nous avons pu faire correspondre le signal à celui attendu des fusions de trous noirs, comme prédit par la théorie de la relativité générale d’Einstein, et nous avons réalisé que nous avions assisté, pour la première fois, à la naissance d’un trou noir de masse intermédiaire d’un parent trou noir qui est très probablement né d’une fusion binaire antérieure. »
Les trous noirs sont un mystère dans le meilleur des cas. Puisqu’ils n’émettent ni ne réfléchissent aucun rayonnement que nous pouvons détecter, nous ne savons généralement même pas qu’ils sont là, à moins qu’ils ne dévorent activement de la matière – un processus qui émet beaucoup de rayonnement juste à l’extérieur du trou noir.
Mais les trous noirs de masse intermédiaire ? Ils ne sont qu’un mystère sur un mystère – parce qu’il ne semble pas y en avoir beaucoup là-bas. Nous avons détecté des trous noirs de masse stellaire, jusqu’à 100 fois la masse du Soleil ; et nous avons détecté des trous noirs supermassifs, généralement entre un million et un milliard de fois plus massifs que les trous noirs de masse stellaire.
Les astronomes ont fait des détections qu’ils pensent être très probablement des trous noirs de masse intermédiaire, mais – comme pour la plupart des détections de trous noirs – ils sont indirects et restent donc peu concluants.
Mais les ondes gravitationnelles nous permettent de détecter directement les binaires des trous noirs – et les produits de leurs fusions. Ce qui fait du signal nouvellement découvert, GW 190521, la première observation directe concluante d’un trou noir de masse intermédiaire.
« L’un des grands mystères de l’astrophysique est de savoir comment se forment les trous noirs supermassifs ? » a déclaré l’astronome des ondes gravitationnelles Christopher Berry de l’Université Northwestern.
« Ils sont le million d’éléphants de masse solaire dans la pièce. Poussent-ils à partir de trous noirs de masse stellaire, qui naissent lorsqu’une étoile s’effondre, ou sont-ils nés par un moyen non découvert ? Nous avons longtemps cherché un trou noir de masse intermédiaire. trou noir pour combler le fossé entre les trous noirs de masse stellaire et supermassifs. Maintenant, nous avons la preuve que les trous noirs de masse intermédiaire existent.
C’est parce que les étoiles précurseurs sont si massives que leurs supernovae – connues sous le nom de supernovae à instabilité de paires – devraient complètement effacer le noyau stellaire, ne laissant rien derrière pour s’effondrer gravitationnellement dans un trou noir.
Cela crée ce que nous appelons «l’écart de masse supérieur» . Le trou noir de 85 masses solaires de GW 190521 est le premier trou noir détecté avec confiance dans cet écart de masse.
Il présente une autre énigme. Détecter un trou noir carrément dans cet écart de masse pourrait signifier que nous ne comprenons pas les supernovae massives aussi bien que nous le pensions ; ou, peut-être plus probablement, que le trou noir de 85 masses solaires était le résultat d’une fusion antérieure.
Bien sûr, il est impossible de dire à ce stade – alors que l’astronomie des ondes gravitationnelles n’en est encore qu’à ses balbutiements – si l’événement lui-même était une valeur aberrante.
Faire ces détections directes pour la toute première fois est extrêmement excitant et représente le meilleur d’une découverte scientifique : répondre à des questions et en poser toute une pléthore de nouvelles.
« Nous sommes vraiment à l’aube de l’astronomie des ondes gravitationnelles », a déclaré l’astronome Chase Kimball de l’Université Northwestern. « Il est difficile de choisir un meilleur moment pour devenir astrophysicien. »
Quick ‘Bang’ Signals the Most Massive Gravitational-Wave Source Ever Detected
https://www.sci.news/astronomy/gw190521-intermediate-mass-black-hole-08808.html
http://www.lkb.upmc.fr/en/uncategorised-en/enigmatic-black-holes-revealed-by-gravitational-waves/
https://www.space.com/black-hole-intermediate-size-ligo-gravitational-waves-discovery.html