Les scientifiques se familiarisent avec les trous noirs qui se produisent la nuit. En 2015, l'Observatoire des ondes gravitationnelles à interféromètre laser (ou LIGO) est entré dans l'histoire en détectant les grondements dans l'espace-temps provoqués par la collision de deux trous noirs dans une galaxie très, très lointaine. Cette première détection a confirmé l’existence de trous noirs binaires de masse stellaire, ou ceux nés de la mort spectaculaire d’étoiles massives en supernova. Depuis, nous avons détecté plusieurs autres fusions (plus une fusion d'étoiles à neutrons en prime !).

Dans une étude publiée le 10 avril 2018 dans la revue Physical Review Letters, les chercheurs suggèrent que les trous noirs fusionnent probablement à plusieurs reprises pour produire des trous noirs trop massifs pour être produits par une seule étoile. Et les amas d'étoiles globulaires pourraient être le voisinage idéal pour que de tels objets se forment et fusionnent, encore et encore.

"Nous pensons que ces amas se sont formés avec des centaines, voire des milliers de trous noirs qui se sont rapidement enfoncés au centre", a déclaré Carl Rodriguez, du MIT et de l'Institut Kavli d'astrophysique et de recherche spatiale, dans un communiqué. "Ces types d'amas sont essentiellement des usines à trous noirs binaires, où il y a tellement de trous noirs dans une petite région de l'espace que deux trous noirs pourraient fusionner et produire un trou noir plus massif. Ce nouveau trou noir peut alors trouvez un autre compagnon et fusionnez à nouveau."

LIGO n’a pas encore repéré l’une de ces « fusions de deuxième génération ». Toutes les fusions détectées jusqu’à présent concernaient des trous noirs de masse stellaire (ceux probablement formés par des étoiles massives uniques). Si les ondes gravitationnelles d’un événement de fusion impliquant un trou noir de 50 fois la masse de notre soleil étaient détectées à l’avenir, cela constituerait une preuve solide suggérant la fusion répétée de trous noirs. Et ce serait excitant.

"Si nous attendons assez longtemps, LIGO finira par voir quelque chose qui ne pourrait provenir que de ces amas d'étoiles, car il serait plus gros que tout ce que vous pourriez obtenir d'une seule étoile", a ajouté Rodriguez.

La plupart des galaxies abritent des amas globulaires, et on en trouve davantage dans les galaxies plus grandes. Par conséquent, les galaxies elliptiques massives peuvent héberger des dizaines de milliers d’amas, alors que la Voie lactée en compte environ 200, la plus proche étant située à 7 000 années-lumière de la Terre. Ces amas contiennent des étoiles anciennes toutes entassées dans un petit volume, les conditions sont donc réunies pour que les trous noirs à l'intérieur de ces amas tombent au centre et se rapprochent de tous les autres trous noirs qui pourraient s'y cacher.

Devrait deux trous noirs dérivent les uns des autres après être tombés de différentes parties d'un amas, les calculs de relativité suggèrent qu'ils émettront des ondes gravitationnelles, sapant ainsi l'énergie de leur mouvement à travers l'amas. Cela ralentirait les trous noirs et commencerait à s’enrouler en spirale, pour finalement s’installer sur une orbite binaire les uns autour des autres. Leur destin est alors scellé. Les deux trous noirs continueront d’émettre des ondes gravitationnelles, provoquant un rétrécissement de leur orbite jusqu’à ce que les deux trous entrent en collision, fusionnent et éclatent avec une puissante explosion d’ondes gravitationnelles qui se déplaceraient à la vitesse de la lumière. Ce trou noir nouvellement fusionné resterait alors à l'intérieur de l'amas en attendant qu'un autre trou noir dérive et recommence la danse binaire.

Cependant, lorsque l'équipe de Rodriguez a effectué les simulations, ils ont supposé que les trous noirs en fusion tournaient rapidement et que les résultats étaient plutôt balistiques.

"Si les deux trous noirs tournent lorsqu'ils fusionnent, le trou noir qu'ils créent émettra des ondes gravitationnelles dans une seule direction privilégiée, comme une fusée, créant un nouveau trou noir qui peut jaillir à une vitesse pouvant atteindre 5 000 kilomètres par seconde - donc, incroyablement rapide", a déclaré Rodriguez. "Il suffit d'un coup de pied de quelques dizaines à centaines de kilomètres par seconde pour échapper à l'un de ces amas."

Selon cette logique, si les trous noirs fusionnés sont extraits des clusters, ils ne peuvent plus fusionner. Mais après avoir analysé la rotation typique des trous noirs détectés par LIGO, l'équipe a découvert que la rotation des trous noirs est beaucoup plus faible, ce qui signifie qu'il y a moins de chances que des amas lâchent leurs trous noirs nouvellement fusionnés. Après avoir apporté cette correction, les chercheurs ont découvert que près de 20 % des trous noirs binaires auraient au moins un trou noir formé lors d’une fusion précédente. Et selon leurs estimations, les trous noirs de deuxième génération devraient avoir une masse révélatrice comprise entre 50 et 130 masses solaires. Il n'y a pas d'autre moyen de produire des trous noirs de cette masse sans les fusions.

Donc, pour l'instant, c'est aux détecteurs d'ondes gravitationnelles du monde entier de trouver un signal produit par un trou noir de deuxième génération.

Maintenant, c'est intéressant

Selon l'Agence spatiale européenne, l'amas d'étoiles globulaires NGC 362 de la Voie lactée aurait entre 10 et 11 milliards d'années. La galaxie elle-même a plus de 13 milliards d'années.