Des chercheurs sur les ondes gravitationnelles de l'Université de Birmingham ont développé un nouveau modèle qui pourrait aider les astronomes à retrouver l'origine des systèmes de trous noirs lourds dans l'Univers.

Les trous noirs se forment à la suite de l'effondrement d'étoiles et éventuellement d'explosions de supernova. Ces objets colossaux denses sont mesurés en termes de masses solaires (M ?? ) - la masse de notre soleil.

Typiquement, les étoiles ne formeront que des trous noirs avec des masses allant jusqu'à 45 M ?? . Ces systèmes s'apparient et fusionnent ensuite, produisant des ondes gravitationnelles qui sont observées par les détecteurs LIGO et Virgo.

effondrement stellaire, cependant, provoque des instabilités qui empêchent la formation de trous noirs plus lourds - un nouveau modèle est donc nécessaire pour expliquer l'existence de systèmes binaires de trous noirs avec des masses supérieures à environ 50 M ?? .

On pense que ces objets sont formés de trous noirs binaires qui ont ensuite fusionné avec d'autres trous noirs. Les scientifiques pensent que ces trous noirs de « nouvelle génération » – constitués de la fusion de leurs « parents » – pourraient être les trous noirs les plus lourds observables par LIGO et Virgo.

Dans une nouvelle étude, Publié dans Examen physique D Communications rapides, chercheurs de l'Institute for Gravitational Wave Astronomy de l'Université de Birmingham, suggèrent que les futures détections de plusieurs générations de fusions de trous noirs nous permettraient de comprendre leur lieu de naissance. Ils ont produit de nouveaux calculs qui pourraient aider les astronomes à mieux comprendre ces fusions et où les trouver.

"Les amas d'étoiles - des groupes d'étoiles liés entre eux par la gravité - pourraient agir comme des " pépinières " de trous noirs, fournir un environnement idéal pour faire croître des générations de trous noirs, " explique le Dr Davide Gerosa, auteur principal de l'article. "Mais pour savoir quel type d'amas d'étoiles est le plus susceptible d'être capable de les produire, nous devons d'abord savoir quelque chose sur les conditions physiques qui seraient nécessaires."

L'équipe pense avoir trouvé une partie de la solution à ce casse-tête en calculant la "vitesse d'échappement" probable qu'un cluster doit avoir pour pouvoir héberger un trou noir d'une masse supérieure à 50 M. ?? . La vitesse d'échappement est la vitesse à laquelle un objet devrait se déplacer pour échapper à l'attraction gravitationnelle. Par exemple, une fusée quittant la Terre devrait se déplacer à 11 km/s (25, 000 mph) pour entrer en orbite.

Quand ils fusionnent, les trous noirs reçoivent des reculs ou des coups de pied. Tout comme une arme à feu recule lorsqu'une balle est tirée, les trous noirs reculent lorsque des ondes gravitationnelles sont émises. La prochaine génération de trous noirs ne peut se former que si leurs parents n'ont pas été « expulsés » du cluster, c'est-à-dire seulement si la vitesse d'échappement du cluster est suffisamment grande.

L'équipe a calculé que l'observation de trous noirs avec une masse supérieure à 50 M ?? suggérerait que l'amas où ils vivaient avait une vitesse de fuite supérieure à environ 50 km/s.

Co-auteur, le professeur Emanuele Berti de l'Université Johns Hopkins, explique :"Les observations d'ondes gravitationnelles offrent une opportunité sans précédent de comprendre les paramètres astrophysiques où les trous noirs se forment et évoluent. Un événement très massif indiquerait un environnement dense avec une grande vitesse d'échappement".

Où pourriez-vous trouver ces types de clusters denses ? De nombreuses prédictions pour LIGO et Virgo se sont jusqu'à présent concentrées sur les «amas globulaires» - des collections sphériques d'environ un million d'étoiles étroitement liées les unes aux autres à la périphérie des galaxies. Leur vitesse de fuite, cependant, est trop bas. Cette nouvelle étude révèle que les amas globulaires sont peu susceptibles d'héberger plusieurs générations de trous noirs. Les astronomes devront chercher plus loin :amas d'étoiles nucléaires, trouvés vers le centre de certaines galaxies sont suffisamment denses et pourraient fournir le type d'environnement nécessaire pour produire ces objets.

"L'astronomie des ondes gravitationnelles révolutionne notre compréhension de l'Univers, " dit le Dr Gerosa. " Nous attendons tous les résultats à venir de LIGO et de Virgo pour mettre ces prédictions astrophysiques et d'autres à l'épreuve ".