Les astrophysiciens de l'Université de Birmingham ont progressé dans la compréhension d'un mystère clé de l'astrophysique des ondes gravitationnelles :comment deux trous noirs peuvent se rejoindre et fusionner.

Au cours de ses quatre premiers mois de prise de données, Advanced LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) a détecté des ondes gravitationnelles à partir de deux fusions de paires de trous noirs, GW150914 et GW151226, ainsi que le candidat à la fusion de trous noirs statistiquement moins significatif LVT151012.

La première détection confirmée d'ondes gravitationnelles a eu lieu le 14 septembre 2015 à 5 h 51, heure avancée de l'Est, par les deux détecteurs jumeaux LIGO, situé à Livingston, Louisiane, et Hanford, Washington, ETATS-UNIS. Il a confirmé une prédiction majeure de la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein en 1915 et a ouvert une nouvelle fenêtre sans précédent sur le cosmos. Cependant, nous ne savons toujours pas comment se forment de telles paires de trous noirs fusionnants.

Un nouveau papier, Publié dans Communication Nature , décrit les résultats d'une enquête sur la formation de sources d'ondes gravitationnelles avec une nouvelle boîte à outils nommée COMPAS (Compact Object Mergers:Population Astrophysics and Statistics).

Pour que les trous noirs se fondent dans l'ère de l'Univers en émettant des ondes gravitationnelles, ils doivent commencer très proches les uns des autres selon les normes astronomiques, pas plus d'environ un cinquième de la distance entre la Terre et le Soleil. Cependant, étoiles massives, qui sont les ancêtres des trous noirs que LIGO a observés, se développer pour être beaucoup plus grand que cela au cours de leur évolution. Le défi majeur, alors, est de savoir comment placer de si grosses étoiles sur une très petite orbite. Plusieurs scénarios possibles ont été proposés pour y remédier.

Les astrophysiciens de Birmingham, rejoint par la collaboratrice Professeur Selma de Mink de l'Université d'Amsterdam, ont montré que les trois événements observés peuvent se former via le même canal de formation :évolution binaire isolée via une phase à enveloppe commune. Dans cette chaîne, deux étoiles progénitrices massives commencent à des séparations assez larges. Les étoiles interagissent en s'étendant, s'engager dans plusieurs épisodes de transfert de masse. La dernière en date est généralement une enveloppe commune - une enveloppe très rapide, transfert de masse dynamiquement instable qui enveloppe les deux noyaux stellaires dans un nuage dense d'hydrogène gazeux. L'éjection de ce gaz du système enlève de l'énergie à l'orbite. Cela rapproche suffisamment les deux étoiles pour que l'émission d'ondes gravitationnelles soit efficace, juste au moment où ils sont suffisamment petits pour qu'une telle proximité ne les mette plus en contact. L'ensemble du processus prend quelques millions d'années pour former deux trous noirs, avec un délai ultérieur possible de milliards d'années avant que les trous noirs ne fusionnent et forment un seul trou noir.

Les simulations ont également aidé l'équipe à comprendre les propriétés typiques des étoiles qui peuvent continuer à former de telles paires de trous noirs fusionnants et les environnements où cela peut se produire. Par exemple, l'équipe a conclu qu'une fusion de deux trous noirs avec des masses significativement inégales serait une forte indication que les étoiles se sont formées presque entièrement à partir d'hydrogène et d'hélium, avec d'autres éléments contribuant à moins de 0,1% de la matière stellaire (à titre de comparaison, cette fraction est d'environ 2% dans le Soleil).

Premier auteur Simon Stevenson, un doctorant à l'Université de Birmingham, a expliqué :"La beauté de COMPAS est qu'il nous permet de combiner toutes nos observations et de commencer à reconstituer le puzzle de la fusion de ces trous noirs, envoyer ces ondulations dans l'espace-temps que nous avons pu observer à LIGO."

L'auteur principal, le professeur Ilya Mandel, a ajouté :« Ce travail permet de poursuivre une sorte de « paléontologie » des ondes gravitationnelles. Un paléontologue, qui n'a jamais vu de dinosaure vivant, peut comprendre à quoi ressemblait et vivait le dinosaure à partir de ses restes squelettiques. D'une manière similaire, on peut analyser les fusions de trous noirs, et utilisez ces observations pour comprendre comment ces étoiles ont interagi au cours de leur vie brève mais intense. »