La détection directe des ondes gravitationnelles d'au moins onze sources au cours des cinq dernières années a offert une confirmation spectaculaire du modèle de gravité et d'espace-temps d'Einstein, tandis que la modélisation de ces événements a fourni des informations sur la formation des étoiles, sursauts gamma, étoiles à neutrons, l'âge de l'univers, et même la vérification des idées sur la façon dont les éléments très lourds sont produits. La majorité de ces événements d'ondes gravitationnelles sont dus à la fusion de deux trous noirs de masses comparables dans une paire en orbite. Les paires de masses presque égales sont fortement préférées dans les modèles de formation de trous noirs binaires, qu'elles résultent de l'évolution d'étoiles binaires isolées ou de l'appariement dynamique de deux trous noirs. Cette année, cependant, les observatoires d'ondes gravitationnelles LIGO et Virgo ont signalé la première détection d'une paire de masses très inégales de trous noirs, GW190412, dont les masses estimées sont d'environ 30 et huit masses solaires. La question, alors, c'est comment ont-ils été formés ?

L'astronome de CfA Carl Rodriguez a dirigé une équipe de collègues dans une enquête théorique sur la façon dont un binaire de masse inégale pourrait se former. La solution la plus évidente est de regarder dans un amas d'étoiles dense, où le spin bas, des paires de trous noirs de masse comparables peuvent naturellement se former, en partie parce que les trous noirs massifs et les étoiles ont tendance à s'enfoncer vers le centre de l'amas et peuvent plus facilement se rencontrer. Mais même là, il est peu probable que ces rencontres produisent une paire de masses inégales. La rotation de chaque trou noir ajoute un facteur de complication supplémentaire. Le spin est quantifié par un nombre compris entre zéro et un. Si chacun des trous noirs d'une fusion a une faible valeur de spin, comme prévu, alors leur fusion produira normalement un trou noir plus massif dont le spin est grand, peut-être autour de 0,7, mais le spin inféré du trou noir massif de GW190412 est bien déterminé à environ 0,43, suggérant qu'elle ne résulte pas d'une fusion aussi simple.

Les astronomes soutiennent que le moyen le plus probable de produire cette paire improbable pourrait être de fusionner deux paires de trous noirs antérieures dans l'amas, un processus qui peut finalement aboutir à un trou noir avec le spin inféré correct. D'abord, deux paires binaires de trous noirs fusionnent chacune ; chacune de ces paires a des trous noirs de masses modérées comparables et chacune produit un trou noir plus massif. Prochain, ces deux nouveaux trous noirs forment eux-mêmes une paire binaire puis fusionnent, produisant la masse solaire d'environ 30, trou noir à spin modéré comme on le voit. Ensuite, ce trou noir s'associe à un trou noir de faible masse pour former le binaire dont l'effondrement a produit l'événement considéré comme GW190412. (Des variantes similaires à plusieurs étapes sont également possibles.)

Bien qu'une telle série d'événements soit rare, les scientifiques montrent que les amas d'étoiles connus pourraient fournir les bons environnements pour que cela se produise. Le nouveau résultat et l'analyse, comme dans le cas des précédentes découvertes d'ondes gravitationnelles, ont élargi notre vision de la variété cosmique tout en s'appuyant sur des hypothèses fondamentales. L'une de ces hypothèses est que les trous noirs sont généralement formés à partir d'un effondrement stellaire avec de faibles spins. Les travaux futurs montreront si un processus de fusion en trois étapes est nécessaire pour expliquer des événements tels que GW190412, ou si des hypothèses comme celle-ci sur le spin doivent plutôt être remises en question.