Une fusion déséquilibrée de deux trous noirs peut avoir une histoire d'origine étrange, selon une nouvelle étude menée par des chercheurs du MIT et d'ailleurs.

La fusion a été détectée pour la première fois le 12 avril, 2019 comme une onde gravitationnelle qui est arrivée aux détecteurs des deux LIGO (le Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), et son homologue italien, Vierge. Les scientifiques ont étiqueté le signal comme GW190412 et ont déterminé qu'il émanait d'un affrontement entre deux trous noirs de David et Goliath, l'un trois fois plus massif que l'autre. Le signal a marqué la première détection d'une fusion entre deux trous noirs de tailles très différentes.

Maintenant la nouvelle étude, publié aujourd'hui dans la revue Lettres d'examen physique, montre que cette fusion déséquilibrée peut provenir d'un processus très différent de celui de la plupart des fusions, ou binaires, sont censés se former.

Il est probable que le plus massif des deux trous noirs soit lui-même le produit d'une fusion préalable entre deux trous noirs parents. Le Goliath qui est sorti de cette première collision a peut-être ensuite ricoché autour d'un "amas nucléaire" densément emballé avant de fusionner avec le second, trou noir plus petit - un événement bruyant qui a envoyé des ondes gravitationnelles ondulant à travers l'espace.

GW190412 peut alors être une deuxième génération, ou fusion « hiérarchique », se démarquer des autres fusions de première génération que LIGO et Virgo ont détectées jusqu'à présent.

"Cet événement est une boule que l'univers nous a lancée - c'était quelque chose que nous n'avions pas vu venir, " déclare le co-auteur de l'étude Salvatore Vitale, professeur assistant de physique au MIT et membre du LIGO. "Mais rien ne se passe une seule fois dans l'univers. Et quelque chose comme ça, bien que rare, nous reverrons, et nous pourrons en dire plus sur l'univers."

Les coauteurs de Vitale sont Davide Gerosa de l'Université de Birmingham et Emanuele Berti de l'Université Johns Hopkins.

Un combat pour expliquer

On pense que les fusions de trous noirs se forment de deux manières principales. Le premier est connu comme un processus d'enveloppe commun, où deux étoiles voisines, après des milliards d'années, exploser pour former deux trous noirs voisins qui finissent par partager une enveloppe commune, ou disque de gaz. Après quelques milliards d'années, les trous noirs s'enroulent et fusionnent.

"Vous pouvez penser à cela comme à un couple étant ensemble toute leur vie, ", dit Vitale. "Ce processus est suspecté de se produire dans le disque de galaxies comme la nôtre."

L'autre voie commune par laquelle se forment les fusions de trous noirs est via des interactions dynamiques. Imaginer, à la place d'un environnement monogame, une rave galactique, où des milliers de trous noirs sont entassés dans un petit, région dense de l'univers. Quand deux trous noirs commencent à s'associer, un troisième peut briser le couple dans une interaction dynamique qui peut se répéter plusieurs fois, avant qu'une paire de trous noirs ne fusionne finalement.

Dans le processus d'enveloppe commune et le scénario d'interaction dynamique, les trous noirs fusionnants devraient avoir à peu près la même masse, contrairement au rapport de masse déséquilibré du GW190412. Ils devraient également avoir relativement aucune rotation, alors que GW190412 a un spin étonnamment élevé.

"L'essentiel est, ces deux scénarios, que les gens pensent traditionnellement être des pépinières idéales pour les binaires de trous noirs dans l'univers, du mal à expliquer le rapport de masse et le spin de cet événement, " dit Vitale.

Traqueur de trou noir

Dans leur nouveau papier, les chercheurs ont utilisé deux modèles pour montrer qu'il est très peu probable que GW190412 provienne d'un processus d'enveloppe commun ou d'une interaction dynamique.

Ils ont d'abord modélisé l'évolution d'une galaxie typique à l'aide de STAR TRACK, une simulation qui suit les galaxies sur des milliards d'années, en commençant par la fusion du gaz et en passant par la façon dont les étoiles prennent forme et explosent, puis s'effondrer dans des trous noirs qui finissent par fusionner. Le deuxième modèle simule aléatoire, des rencontres dynamiques dans des amas globulaires — des concentrations denses d'étoiles autour de la plupart des galaxies.

L'équipe a exécuté les deux simulations plusieurs fois, régler les paramètres et étudier les propriétés des fusions de trous noirs qui ont émergé. Pour les fusions qui se sont formées grâce à un processus d'enveloppe commun, une fusion comme GW190412 était très rare, n'apparaît qu'après quelques millions d'événements. Les interactions dynamiques étaient légèrement plus susceptibles de produire un tel événement, après quelques milliers de fusions.

Cependant, GW190412 a été détecté par LIGO et Virgo après seulement 50 autres détections, suggérant qu'il est probablement survenu par un autre processus.

"Peu importe ce que nous faisons, nous ne pouvons pas facilement produire cet événement dans ces canaux de formation plus communs, " dit Vitale.

Le processus de fusion hiérarchique peut mieux expliquer la masse déséquilibrée du GW190412 et sa rotation élevée. Si un trou noir était le produit d'un appariement précédent de deux trous noirs parents de masse similaire, il serait lui-même plus massif que l'un ou l'autre des parents, et plus tard éclipser considérablement son partenaire de première génération, créant un rapport de masse élevé dans la fusion finale.

Un processus hiérarchique pourrait également générer une fusion avec un spin élevé :Les trous noirs parents, dans leur fusion chaotique, ferait tourner le trou noir résultant, qui porterait alors cette rotation dans sa propre collision ultime.

"Vous faites le calcul, et il s'avère que le trou noir restant aurait une rotation qui est très proche de la rotation totale de cette fusion, ", explique Vitale.

Pas de fuite

Si GW190412 s'est en effet formé par fusion hiérarchique, Vitale dit que l'événement pourrait également faire la lumière sur l'environnement dans lequel il s'est formé. L'équipe a découvert que si le plus gros des deux trous noirs s'était formé lors d'une précédente collision, cette collision a probablement généré une énorme quantité d'énergie qui a non seulement créé un nouveau trou noir, mais l'a frappé à travers une certaine distance.

"Si c'est frappé trop fort, il quitterait simplement l'amas et irait dans le milieu interstellaire vide, et ne pas pouvoir fusionner à nouveau, " dit Vitale.

Si l'objet a pu à nouveau fusionner (dans ce cas, pour produire GW190412), cela signifierait que le coup de pied qu'il a reçu n'était pas suffisant pour échapper à l'amas stellaire dans lequel il s'est formé. Si GW190412 est bien un produit de fusion hiérarchique, l'équipe a calculé que cela se serait produit dans un environnement avec une vitesse d'échappement supérieure à 150 kilomètres par seconde. Pour le point de vue, la vitesse d'échappement de la plupart des amas globulaires est d'environ 50 kilomètres par seconde.

Cela signifie que quel que soit l'environnement dans lequel GW190412 est né, il avait une immense attraction gravitationnelle, et l'équipe pense qu'un tel environnement aurait pu être soit le disque de gaz autour d'un trou noir supermassif, ou un "amas nucléaire" - une région incroyablement dense de l'univers, emballé avec des dizaines de millions d'étoiles.

"Cette fusion a dû venir d'un endroit inhabituel, " dit Vitale. " Alors que LIGO et Virgo continuent de faire de nouvelles détections, nous pouvons utiliser ces découvertes pour apprendre de nouvelles choses sur l'univers."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.