Les amas globulaires sont spectaculaires et remplis d'étoiles. Ils peuvent également être le cadre idéal pour que les trous noirs fusionnent à plusieurs reprises. Cette grappe, situé dans la Voie Lactée, s'appelle NGC 362. ESA/Hubble &NASA

Les scientifiques se familiarisent avec les trous noirs qui se cognent dans la nuit. De retour en 2015, le Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (ou LIGO) est entré dans l'histoire en détectant les grondements dans l'espace-temps causés par la collision de deux trous noirs dans une galaxie lointaine, loin. Cette première détection a confirmé l'existence de trous noirs binaires de masse stellaire, ou ceux nés de la mort spectaculaire en supernova d'étoiles massives. Depuis, nous avons détecté plusieurs autres fusions (plus une fusion d'étoiles à neutrons en prime !).

Maintenant, dans une recherche publiée le 10 avril, 2018, dans la revue Physical Review Letters, les chercheurs suggèrent que les trous noirs fusionnent probablement à plusieurs reprises pour produire des trous noirs trop massifs pour être produits par une seule étoile. Et les amas d'étoiles globulaires pourraient être le voisinage parfait pour que de tels objets se forment et fusionnent, encore et encore.

"Nous pensons que ces amas se sont formés avec des centaines à des milliers de trous noirs qui se sont rapidement enfoncés au centre, " a déclaré Carl Rodriguez, du MIT et de l'Institut Kavli d'astrophysique et de recherche spatiale, dans un rapport. "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."

LIGO n'a pas encore capté l'une de ces "fusions de deuxième génération". Toutes les fusions détectées à ce jour ont impliqué des trous noirs de masse stellaire (ceux probablement formés par des étoiles massives uniques). Si les ondes gravitationnelles d'un événement de fusion impliquant un trou noir de 50 fois la masse de notre soleil devaient être détectées à l'avenir, cependant, ce serait une preuve solide pour suggérer la fusion répétée des trous noirs. Et ce serait passionnant.

« 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, " a ajouté Rodriguez.

La plupart des galaxies abritent des amas globulaires, avec plus d'amas trouvés dans de plus grandes galaxies. Par conséquent, les galaxies elliptiques massives peuvent héberger des dizaines de milliers d'amas, alors que la Voie lactée en compte environ 200, avec le plus proche situé 7, 000 années-lumière de la Terre. Ces amas contiennent des étoiles anciennes toutes entassées dans un petit volume, les conditions sont donc réunies pour que les trous noirs à l'intérieur de ces grappes tombent au centre et se rapprochent de tout autre trou noir qui pourrait se cacher.

Cette visualisation d'un trou noir illustre comment sa gravité déforme notre vue, déformant son environnement comme si on le voyait dans un miroir de carnaval. Centre de vol spatial Goddard de la NASA/Jeremy Schnittman

Si deux trous noirs dérivent l'un près de l'autre après être tombés de différentes parties d'un amas, les calculs de relativité suggèrent qu'ils émettront des ondes gravitationnelles, sapant ainsi l'énergie de leur mouvement à travers l'amas. Cela ralentirait les trous noirs et commencerait à entrer en spirale, s'installant finalement dans une orbite binaire l'un autour de l'autre. Alors leurs destins sont scellés. Les deux trous noirs continueront à émettre des ondes gravitationnelles, provoquant le rétrécissement de leur orbite jusqu'à ce que la paire entre en collision, fusionner et éclater avec une puissante explosion d'ondes gravitationnelles qui se déplacerait à la vitesse de la lumière. Ce trou noir nouvellement fusionné traînerait alors à l'intérieur de l'amas en attendant qu'un autre trou noir passe et recommencerait la danse binaire.

Cependant, lorsque l'équipe de Rodriguez a effectué les simulations, ils ont supposé que les trous noirs fusionnant tournaient rapidement et les résultats étaient, bien, plutôt balistique.

"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, ", a déclaré Rodriguez. "Il suffit d'un coup de pied de quelques dizaines à cent kilomètres par seconde pour échapper à l'un de ces amas."

Par cette logique, si les trous noirs fusionnés sont démarrés hors des clusters, ils ne peuvent plus fusionner. Mais, après analyse du spin typique des trous noirs détectés par LIGO, l'équipe a découvert que la rotation du trou noir est beaucoup plus faible, ce qui signifie qu'il y a moins de chance que les clusters lâchent leurs trous noirs nouvellement fusionnés. Après avoir effectué cette correction, les chercheurs ont découvert que près de 20% des binaires de trous noirs auraient au moins un trou noir qui s'est formé lors d'une fusion précédente. Et d'après leurs calculs, Les trous noirs de deuxième génération devraient avoir une gamme de masse révélatrice comprise entre 50 et 130 masses solaires. Il n'y a pas d'autre moyen de produire des trous noirs de cette masse sans les fusions.

Donc, pour l'instant, c'est aux détecteurs d'ondes gravitationnelles du monde de trouver un signal qui a été produit par un trou noir de deuxième génération.

Maintenant c'est intéressant

L'amas d'étoiles globulaires NGC 362 de la Voie lactée aurait entre 10 et 11 milliards d'années, selon l'Agence spatiale européenne. La galaxie elle-même a plus de 13 milliards d'années.