Un instantané d'une simulation montrant un trou noir binaire formé au centre d'un amas d'étoiles dense. Crédit :Northwestern Visualization/Carl Rodriguez
Lorsque les détecteurs jumeaux de LIGO ont détecté pour la première fois de faibles oscillations dans leurs miroirs identiques, le signal n'a pas seulement fourni la première détection directe des ondes gravitationnelles, il a également confirmé l'existence de trous noirs binaires stellaires, qui a donné lieu au signal en premier lieu.
Les trous noirs binaires stellaires se forment lorsque deux trous noirs, créé à partir des restes d'étoiles massives, commencent à orbiter l'un autour de l'autre. Finalement, les trous noirs fusionnent dans une collision spectaculaire qui, selon la théorie de la relativité générale d'Einstein, devrait libérer une énorme quantité d'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles.
Maintenant, une équipe internationale dirigée par l'astrophysicien du MIT Carl Rodriguez suggère que les trous noirs peuvent s'associer et fusionner plusieurs fois, produisant des trous noirs plus massifs que ceux qui se forment à partir d'étoiles simples. Ces « fusions de deuxième génération » devraient provenir d'amas globulaires – de petites régions de l'espace, généralement aux bords d'une galaxie, qui sont emballés avec des centaines de milliers à des millions d'étoiles.
"Nous pensons que ces amas se sont formés avec des centaines à des milliers de trous noirs qui se sont rapidement enfoncés au centre, " dit Carl Rodriguez, un boursier Pappalardo au Département de physique du MIT et à l'Institut Kavli d'astrophysique et de recherche spatiale. "Ces types de clusters sont essentiellement des usines pour les binaires de trous noirs, où vous avez tellement de trous noirs qui traînent dans une petite région de l'espace que deux trous noirs pourraient fusionner et produire un trou noir plus massif. Ensuite, ce nouveau trou noir pourra trouver un autre compagnon et fusionner à nouveau."
Si LIGO détecte un binaire avec une composante de trou noir dont la masse est supérieure à environ 50 masses solaires, puis selon les résultats du groupe, il y a de fortes chances que l'objet ne soit pas né d'étoiles individuelles, mais d'un amas stellaire dense.
« Si nous attendons assez longtemps, puis finalement LIGO verra quelque chose qui ne pouvait venir que de ces amas d'étoiles, parce que ce serait plus gros que tout ce que vous pourriez obtenir d'une seule étoile, " dit Rodriguez.
Lui et ses collègues rapportent leurs résultats dans un article paru dans Lettres d'examen physique .
Étoiles de course
Depuis plusieurs années, Rodriguez a étudié le comportement des trous noirs au sein des amas globulaires et si leurs interactions diffèrent des trous noirs occupant des régions moins peuplées de l'espace.
On trouve des amas globulaires dans la plupart des galaxies, et leurs échelles de nombre avec la taille d'une galaxie. Énorme, galaxies elliptiques, par exemple, héberger des dizaines de milliers de ces conglomérats stellaires, tandis que notre propre Voie Lactée en contient environ 200, avec le cluster le plus proche résidant à environ 7, 000 années-lumière de la Terre.
Dans leur nouveau papier, Rodriguez et ses collègues rapportent qu'ils utilisent un superordinateur appelé Quest, à l'Université Northwestern, pour simuler le complexe, interactions dynamiques au sein de 24 amas stellaires, allant de la taille de 200, 000 à 2 millions d'étoiles, et couvrant une gamme de différentes densités et compositions métalliques. Les simulations modélisent l'évolution des étoiles individuelles au sein de ces amas sur 12 milliards d'années, suivant leurs interactions avec d'autres étoiles et, finalement, la formation et l'évolution des trous noirs. Les simulations modélisent également les trajectoires des trous noirs une fois qu'ils se sont formés.
Une simulation montrant une rencontre entre un trou noir binaire (en orange) et un seul trou noir (en bleu) avec des effets relativistes. Finalement, deux trous noirs émettent une explosion d'ondes gravitationnelles et fusionnent, créant un nouveau trou noir (en rouge). Crédit :Massachusetts Institute of Technology
"Ce qui est bien, c'est parce que les trous noirs sont les objets les plus massifs de ces amas, ils s'enfoncent au centre, où vous obtenez une densité de trous noirs suffisamment élevée pour former des binaires, " dit Rodriguez. " Les trous noirs binaires sont essentiellement comme des cibles géantes qui traînent dans l'amas, et pendant que vous leur jetez d'autres trous noirs ou étoiles, ils subissent ces folles rencontres chaotiques."
tout est relatif
Lors de l'exécution de leurs simulations, les chercheurs ont ajouté un ingrédient clé qui manquait dans les efforts précédents pour simuler des amas globulaires.
"Ce que les gens avaient fait dans le passé était de traiter cela comme un problème purement newtonien, " Rodriguez dit. "La théorie de la gravité de Newton fonctionne dans 99,9 pour cent de tous les cas. Les quelques cas dans lesquels cela ne fonctionne pas peuvent être lorsque vous avez deux trous noirs qui sifflent de très près, ce qui n'arrive normalement pas dans la plupart des galaxies."
La théorie de la relativité de Newton suppose que, si les trous noirs étaient déliés au départ, aucun n'affecterait l'autre, et ils se croiseraient simplement, inchangé. Ce raisonnement découle du fait que Newton n'a pas reconnu l'existence d'ondes gravitationnelles - qu'Einstein a prédit beaucoup plus tard qu'elles proviendraient d'objets en orbite massive, comme deux trous noirs à proximité immédiate.
« Dans la théorie de la relativité générale d'Einstein, où je peux émettre des ondes gravitationnelles, puis quand un trou noir passe près d'un autre, il peut en fait émettre une minuscule impulsion d'ondes gravitationnelles, " explique Rodriguez. " Cela peut soustraire suffisamment d'énergie du système pour que les deux trous noirs deviennent réellement liés, et puis ils fusionneront rapidement."
L'équipe a décidé d'ajouter les effets relativistes d'Einstein dans leurs simulations d'amas globulaires. Après avoir exécuté les simulations, ils ont observé des trous noirs fusionner les uns avec les autres pour créer de nouveaux trous noirs, à l'intérieur des amas stellaires eux-mêmes. Sans effets relativistes, La gravité newtonienne prédit que la plupart des trous noirs binaires seraient expulsés de l'amas par d'autres trous noirs avant de pouvoir fusionner. Mais en tenant compte des effets relativistes, Rodriguez et ses collègues ont découvert que près de la moitié des trous noirs binaires fusionnaient à l'intérieur de leurs amas stellaires, créant une nouvelle génération de trous noirs plus massifs que ceux formés à partir des étoiles. Ce qui arrive à ces nouveaux trous noirs à l'intérieur de l'amas est une question de spin.
"Si les deux trous noirs tournent quand ils fusionnent, le trou noir qu'ils créent émettra des ondes gravitationnelles dans une seule direction préférée, comme une fusée, créant un nouveau trou noir qui peut jaillir aussi vite que 5, 000 kilomètres par seconde—donc, incroyablement rapide, " dit Rodriguez. " Il suffit d'un coup de pied de quelques dizaines à cent kilomètres par seconde pour échapper à l'un de ces clusters. "
A cause de cet effet, les scientifiques ont largement pensé que le produit de toute fusion de trous noirs serait expulsé du cluster, puisqu'il a été supposé que la plupart des trous noirs tournent rapidement.
Cette hypothèse, cependant, semble contredire les mesures de LIGO, qui n'a jusqu'à présent détecté que des trous noirs binaires à faible spin. Pour en tester les implications, Rodriguez a réduit les tours des trous noirs dans ses simulations et a découvert que dans ce scénario, près de 20 pour cent des trous noirs binaires des clusters avaient au moins un trou noir qui s'était formé lors d'une fusion précédente. Parce qu'ils ont été formés à partir d'autres trous noirs, certains de ces trous noirs de deuxième génération peuvent être de l'ordre de 50 à 130 masses solaires. Les scientifiques pensent que les trous noirs de cette masse ne peuvent pas se former à partir d'une seule étoile.
Rodriguez dit que si les télescopes à ondes gravitationnelles tels que LIGO détectent un objet avec une masse dans cette plage, il y a de fortes chances que cela ne vienne pas d'une seule étoile qui s'effondre, mais d'un amas stellaire dense.
"Mes co-auteurs et moi avons parié contre quelques personnes qui étudient la formation d'étoiles binaires qui, au cours des 100 premières détections LIGO, LIGO détectera quelque chose dans cet écart de masse supérieur, " dit Rodriguez. " Je reçois une bonne bouteille de vin si cela s'avère être vrai. "
