Découverte d’une nouvelle catégorie de trous noirs

Les interféromètres VIRGO (notre photo) ainsi que LIGO ont détecté les ondes gravitationnelles ayant été engendrées lors de la formation d'un trou noir qui est survenue il y a sept milliards d’années.
Photo: Claudio Giovanninni Agence France-Presse Les interféromètres VIRGO (notre photo) ainsi que LIGO ont détecté les ondes gravitationnelles ayant été engendrées lors de la formation d'un trou noir qui est survenue il y a sept milliards d’années.

Un trou noir d’une masse inédite a été découvert par les instruments LIGO et VIRGO, qui ont détecté les ondes gravitationnelles ayant été engendrées lors de sa formation qui est survenue il y a sept milliards d’années. Un tel type de trou noir, dit de masse intermédiaire, n’avait encore jamais été observé. En plus d’être une première, cette découverte fournit une foule d’informations sur la formation des trous noirs, sur leur abondance dans l’Univers. Elle permettra aussi de vérifier l’exactitude de la théorie de la relativité générale d’Einstein.

À partir du signal enregistré par les deux interféromètres, LIGO installé aux États-Unis et celui de VIRGO situé en Italie, les chercheurs de cette collaboration ont pu déterminer que vraisemblablement deux trous noirs de 85 et 65 fois la masse de notre soleil ont fusionné et donné naissance à un nouveau trou noir 142 fois plus massif que le Soleil, soit « le trou noir le plus massif jamais observé par les détecteurs d’ondes gravitationnelles », souligne Matteo Barsuglia, le responsable de l’équipe française de VIRGO.

Soit dit en passant, la collision entre les deux trous noirs initiaux a engendré un trou noir un peu moins massif que la somme des deux précédents, car une partie de la masse a été convertie en énergie sous la forme d’ondes gravitationnelles qui, selon Einstein, déforment l’espace-temps lors de leur passage. Plus précisément, les ondes gravitationnelles étirent l’espace dans une dimension et le compriment dans la direction perpendiculaire. C’est pourquoi les détecteurs LIGO et VIRGO sont composés de deux bras perpendiculaires, dont l’un est allongé et l’autre est rétréci d’une longueur infinitésimale par l’onde gravitationnelle.

Chaînon manquant

« Il s’agit d’un trou noir de masse intermédiaire », souligne M. Barsuglia, qui est chercheur au CNRS, en France. « On connaissait les trous noirs stellaires, qui se forment lors de la mort d’une étoile massive et qui peuvent faire jusqu’à 100 masses solaires, et les trous noirs supermassifs, dont la masse est de l’ordre de plus d’un million de masses solaires et qui siègent au centre de certaines galaxies, comme la nôtre. Entre ces deux extrêmes se trouvent des trous noirs de masse intermédiaire dont nous n’avions encore jamais observé de candidats dotés d’une masse comprise entre 100 et 1000 masses solaires. C’est donc la première fois que nous détectons un trou noir de masse intermédiaire. »

Cette observation fournit en quelque sorte la confirmation de l’existence de ces trous noirs intermédiaires, qui pourraient être à l’origine des trous noirs supermassifs. « On sait que les trous noirs supermassifs existent, mais on ne sait pas très bien comment ils se forment. Selon certaines hypothèses, ils se formeraient à la suite de fusions en cascade de trous noirs plus petits ou lors de l’effondrement [gravitationnel] de gros nuages de gaz. Peut-être que les trous noirs de masse intermédiaire peuvent fusionner en cascade jusqu’à la formation d’un trou noir supermassif », avance M. Barsuglia.

Cette découverte représente aussi l’événement le plus éloigné et le plus ancien jamais détecté par les ondes gravitationnelles. « L’onde gravitationnelle engendrée par la fusion des deux trous noirs a mis sept milliards d’années à arriver jusqu’à nous, ce qui veut dire que cet événement est survenu alors que l’Univers n’en était qu’à la moitié de sa vie », précise le chercheur.

L’événement a été détecté le 21 mai 2019 par les trois détecteurs de LIGO et de VIRGO. Six minutes après cette détection, une alerte a été envoyée aux équipes manœuvrant les différents télescopes sur la Terre afin qu’ils pointent leur objectif dans la direction identifiée par la collaboration LIGO-VIRGO, car en sachant quel détecteur l’onde gravitationnelle a frappé en premier, on peut déterminer par triangulation la direction d’où elle venait. « Le télescope ZTS a trouvé quelque chose, mais la distance à laquelle il a repéré un trou noir n’est pas tout à fait la même que celle que nous avions estimée », indique M. Barsuglia.

Le signal dénommé GW190521 qui a été détecté le 21 mai 2019 fut très court : d’une durée d’environ 0,1 seconde, au cours de laquelle se sont produites quatre oscillations. « Plus le système qui a causé les ondes gravitationnelles est massif, plus le signal est court », explique le chercheur, tout en rappelant que le signal capté le 17 août 2017 qui provenait de la fusion de deux étoiles à neutrons de quelques masses solaires a duré 100 secondes.

Un autre élément intrigue les chercheurs : comment s’est formé le trou noir de départ qui faisait 85 fois la masse du soleil alors que, selon les modèles physiques actuels, l’effondrement d’une étoile massive ne peut former de trous noirs ayant une masse allant de 60 à 120 masses solaires ? « Peut-être que nos modèles décrivant la fin de vie des étoiles ne sont pas tout à fait exacts ? Peut-être s’est-il formé différemment, lors d’une fusion précédente de trous noirs encore moins massifs, par exemple ? » avance M. Barsuglia.

Nouveaux horizons

Cette dernière découverte comme la quinzaine qui ont été faites depuis 2015 « sont intéressantes, car elles nous aident à comprendre comment se forment les trous noirs et combien il y en a dans l’Univers », fait valoir le physicien.

En nous renseignant sur la distance existant entre nous et la source de l’événement ayant provoqué ces ondes gravitationnelles, ces dernières nous permettent aussi de faire une mesure du taux d’expansion de l’Univers, la valeur duquel varie selon la méthode employée pour la mesurer.

Cette découverte permettra aussi de mettre à nouveau à l’épreuve la théorie de la relativité générale d’Einstein. « Jusqu’à maintenant, elle a passé tous les tests, mais on continue [à la tester] parce qu’il y a encore des choses qu’on ne comprend pas. Nous ne sommes toujours pas parvenus à une théorie unifiée de la gravitation et de la mécanique quantique. On essaie de voir s’il n’y a pas une petite faille dans la relativité générale qui nous orienterait vers une théorie plus complète. »

« Peut-être aussi que les ondes gravitationnelles nous aideront à mieux comprendre la nature de l’énergie noire et à voir s’il faut modifier la relativité générale », explique M. Barsuglia.

 

Les détails de cette découverte ont été publiés dans les revues Physical Review Letters et Astrophysical Journal Letters.