Pour tout son immense vide, l'univers bourdonne d'activité sous forme d'ondes gravitationnelles. Produit par des phénomènes astrophysiques extrêmes, ces réverbérations ondulent et ébranlent le tissu de l'espace-temps, comme le tintement d'une cloche cosmique.

Les chercheurs ont maintenant détecté un signal provenant de ce qui pourrait être la fusion de trous noirs la plus massive jamais observée dans les ondes gravitationnelles. Le produit de la fusion est la première détection claire d'un trou noir de "masse intermédiaire", avec une masse comprise entre 100 et 1, 000 fois celle du soleil.

Ils ont détecté le signal, qu'ils ont étiqueté GW190521, le 21 mai, 2019, avec le Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) de la National Science Foundation, une paire d'identiques, interféromètres de 4 kilomètres de long aux États-Unis; et Vierge, un détecteur de 3 kilomètres de long en Italie.

Le signal, ressemblant à environ quatre torsades courtes, est d'une durée extrêmement brève, durant moins d'un dixième de seconde. D'après ce que les chercheurs peuvent dire, GW190521 a été généré par une source distante d'environ 5 gigaparsecs, quand l'univers avait environ la moitié de son âge, ce qui en fait l'une des sources d'ondes gravitationnelles les plus éloignées détectées à ce jour.

Quant à ce qui a produit ce signal, basé sur une puissante suite d'outils de calcul et de modélisation de pointe, les scientifiques pensent que GW190521 a très probablement été généré par une fusion de trous noirs binaires avec des propriétés inhabituelles.

Presque tous les signaux d'ondes gravitationnelles confirmés à ce jour proviennent d'une fusion binaire, soit entre deux trous noirs ou deux étoiles à neutrons. Cette nouvelle fusion semble être la plus massive à ce jour, impliquant deux trous noirs inspirants avec des masses d'environ 85 et 66 fois la masse du soleil.

L'équipe LIGO-Virgo a également mesuré la rotation de chaque trou noir et a découvert qu'à mesure que les trous noirs tournaient de plus en plus près les uns des autres, ils auraient pu tourner autour de leurs propres axes, à des angles qui n'étaient pas alignés avec l'axe de leur orbite. Les spins mal alignés des trous noirs ont probablement fait vaciller leurs orbites, ou "précesse, " alors que les deux Goliath s'enroulaient l'un vers l'autre.

Le nouveau signal représente probablement l'instant où les deux trous noirs ont fusionné. La fusion a créé un trou noir encore plus massif, d'environ 142 masses solaires, et a libéré une énorme quantité d'énergie, équivalent à environ 8 masses solaires, répartis dans l'univers sous forme d'ondes gravitationnelles.

"Cela ne ressemble pas beaucoup à un gazouillis, c'est ce que nous détectons généralement, " dit Nelson Christensen, membre de la Vierge, chercheur au Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), comparant le signal à la première détection d'ondes gravitationnelles par LIGO en 2015. « Cela ressemble plus à quelque chose qui fait "bang", ' et c'est le signal le plus massif que LIGO et Virgo aient vu."

L'équipe internationale de scientifiques, qui composent la Collaboration Scientifique LIGO (LSC) et la Collaboration Virgo, ont rapporté leurs conclusions dans deux articles publiés aujourd'hui. Une, apparaissant dans Lettres d'examen physique , détaille la découverte, et l'autre, dans Les lettres du journal astrophysique , discute des propriétés physiques du signal et des implications astrophysiques.

« LIGO nous surprend une fois de plus non seulement avec la détection de trous noirs de tailles difficiles à expliquer, mais en utilisant des techniques qui n'ont pas été conçues spécifiquement pour les fusions stellaires, " dit Pedro Marronetti, directeur du programme de physique gravitationnelle à la National Science Foundation. "Ceci est d'une importance capitale car il met en valeur la capacité de l'instrument à détecter des signaux provenant d'événements astrophysiques complètement imprévus. LIGO montre qu'il peut également observer l'inattendu."

Dans l'écart de masse

Les masses exceptionnellement grandes des deux trous noirs inspirants, ainsi que le trou noir final, soulèvent une foule de questions concernant leur formation.

Tous les trous noirs observés à ce jour entrent dans l'une ou l'autre de deux catégories :trous noirs de masse stellaire, qui mesurent de quelques masses solaires jusqu'à des dizaines de masses solaires et on pense qu'elles se forment lorsque des étoiles massives meurent ; ou des trous noirs supermassifs, comme celui au centre de la Voie Lactée, qui sont de centaines de milliers, à des milliards de fois celle de notre soleil.

Cependant, le dernier trou noir de 142 masse solaire produit par la fusion GW190521 se situe dans une plage de masse intermédiaire entre la masse stellaire et les trous noirs supermassifs, le premier du genre jamais détecté.

Les deux trous noirs progéniteurs qui ont produit le trou noir final semblent également être uniques par leur taille. Ils sont si massifs que les scientifiques soupçonnent que l'un d'eux ou les deux n'ont peut-être pas été formés à partir d'une étoile en train de s'effondrer, comme le font la plupart des trous noirs de masse stellaire.

Selon la physique de l'évolution stellaire, la pression extérieure des photons et du gaz dans le noyau d'une étoile la soutient contre la force de gravité poussant vers l'intérieur, pour que l'étoile soit stable, comme le soleil. Après que le noyau d'une étoile massive ait fusionné des noyaux aussi lourds que le fer, il ne peut plus produire assez de pression pour soutenir les couches externes. Lorsque cette pression vers l'extérieur est inférieure à la gravité, l'étoile s'effondre sous son propre poids, dans une explosion appelée supernova à effondrement du cœur, qui peut laisser un trou noir.

Ce processus peut expliquer comment des étoiles aussi massives que 130 masses solaires peuvent produire des trous noirs pouvant atteindre 65 masses solaires. Mais pour les étoiles plus lourdes, on pense qu'un phénomène connu sous le nom d'"instabilité de paire" se déclenche. Lorsque les photons du noyau deviennent extrêmement énergétiques, ils peuvent se transformer en une paire d'électrons et d'antiélectrons. Ces paires génèrent moins de pression que les photons, provoquant l'instabilité de l'étoile face à l'effondrement gravitationnel, et l'explosion qui en résulte est assez forte pour ne rien laisser derrière elle. Des étoiles encore plus massives, au-dessus de 200 masses solaires, finirait par s'effondrer directement dans un trou noir d'au moins 120 masses solaires. Une étoile qui s'effondre, alors, ne devrait pas être capable de produire un trou noir entre environ 65 et 120 masses solaires, une plage connue sous le nom de « gap de masse d'instabilité des paires ».

Mais maintenant, le plus lourd des deux trous noirs qui ont produit le signal GW190521, à 85 masses solaires, est le premier détecté jusqu'à présent dans l'écart de masse d'instabilité des paires.

"Le fait que nous voyions un trou noir dans cet écart de masse fera que beaucoup d'astrophysiciens se grattent la tête et essaieront de comprendre comment ces trous noirs ont été créés, " dit Christensen, qui est le directeur du Laboratoire Artémis à l'Observatoire de Nice en France.

Une possibilité, que les chercheurs considèrent dans leur deuxième article, est d'une fusion hiérarchique, dans lequel les deux trous noirs progéniteurs eux-mêmes peuvent s'être formés à partir de la fusion de deux trous noirs plus petits, avant de migrer ensemble et éventuellement de fusionner.

"Cet événement ouvre plus de questions qu'il n'apporte de réponses, " déclare Alan Weinstein, membre du LIGO, professeur de physique à Caltech. « Du point de vue de la découverte et de la physique, c'est une chose très excitante."

"Quelque chose d'inexplicable"

Il reste de nombreuses questions concernant GW190521.

Alors que les détecteurs LIGO et Virgo écoutent les ondes gravitationnelles traversant la Terre, les recherches automatisées passent au peigne fin les données entrantes pour des signaux intéressants. Ces recherches peuvent utiliser deux méthodes différentes :des algorithmes qui sélectionnent des modèles d'ondes spécifiques dans les données qui peuvent avoir été produites par des systèmes binaires compacts; et des recherches plus générales "en rafale", qui recherchent essentiellement tout ce qui sort de l'ordinaire.

membre du LIGO Salvatore Vitale, professeur assistant de physique au MIT, compare les recherches binaires compactes à "passer au peigne fin des données, qui attrapera les choses dans un certain espacement, " contrairement aux recherches en rafale qui sont davantage une approche "fourre-tout".

Dans le cas de GW190521, c'était une recherche en rafale qui a capté le signal un peu plus clairement, ouvrant la très petite chance que les ondes gravitationnelles proviennent de quelque chose d'autre qu'une fusion binaire.

"La barre pour affirmer que nous avons découvert quelque chose de nouveau est très haute, " dit Weinstein. " Donc, nous appliquons généralement le rasoir d'Occam :la solution la plus simple est la meilleure, qui dans ce cas est un trou noir binaire."

Mais et si quelque chose d'entièrement nouveau produisait ces ondes gravitationnelles ? C'est une perspective alléchante, et dans leur article, les scientifiques examinent brièvement d'autres sources dans l'univers qui pourraient avoir produit le signal qu'ils ont détecté. Par exemple, peut-être que les ondes gravitationnelles ont été émises par une étoile en train de s'effondrer dans notre galaxie. Le signal pourrait également provenir d'une chaîne cosmique produite juste après que l'univers se soit gonflé dans ses premiers instants, bien qu'aucune de ces possibilités exotiques ne corresponde aux données ainsi qu'à une fusion binaire.

"Depuis que nous avons activé LIGO pour la première fois, tout ce que nous avons observé avec certitude a été une collision de trous noirs ou d'étoiles à neutrons, " Weinstein dit "C'est le seul événement où notre analyse permet la possibilité que cet événement ne soit pas une telle collision. Bien que cet événement soit cohérent avec le fait qu'il provient d'une fusion de trous noirs binaires exceptionnellement massive, et les explications alternatives sont défavorisées, il repousse les limites de notre confiance. Et cela le rend potentiellement extrêmement excitant. Parce que nous avons tous espéré quelque chose de nouveau, quelque chose d'inexplicable, cela pourrait remettre en question ce que nous avons déjà appris. Cet événement a le potentiel de le faire."