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Des trous noirs qui «  ne devraient pas exister  » découverts lors de la collision de trous noirs la plus bruyante jamais enregistrée

Eh bien, c’était un affrontement des poids lourds.

Les astronomes ont rapporté la semaine dernière qu’ils avaient détecté la collision la plus forte, la plus massive et la plus violente à ce jour entre une paire de trous noirs. Deux Goliaths des ténèbres se sont écrasés il y a 7 milliards d’années, faisant vibrer l’espace-temps et produisant un bip fort et aigu – presque un bang, a déclaré un astronome – d’une durée d’un dixième de seconde seulement dans les antennes de l’interféromètre laser gravitationnel- Observatoire des vagues et observatoire de l’interféromètre Virgo.

Ce court signal d’une galaxie lointaine, très lointaine a laissé les astrophysiciens avec de nouvelles questions sur la façon dont les trous noirs se forment et se développent.

Daniel Holz, théoricien à l’Université de Chicago et membre de l’équipe LIGO, a qualifié cette nouvelle découverte de «première détection LIGO / Virgo vraiment surprenante. Tous les autres systèmes binaires que nous avons détectés correspondent raisonnablement bien aux attentes. Mais les trous noirs de cet événement ne sont pas censés exister! »

L’un et peut-être les deux trous de collision étaient trop massifs pour avoir été produits par l’effondrement d’une étoile, selon les théories conventionnelles. De plus, la fusion a créé un trou noir encore plus grand, 142 fois plus massif que le soleil, appartenant à une toute nouvelle catégorie de trous noirs de masse intermédiaire, ou «chaînon manquant», jamais vus de manière fiable auparavant.

«Une autre découverte du réseau mondial de détecteurs d’ondes gravitationnelles qui réécrit ce que nous savons sur notre univers», a écrit Zsuzsanna Marka, astrophysicienne à l’Université de Columbia qui travaille sur LIGO, dans un e-mail.

Janna Levin, cosmologiste au Barnard College qui ne fait pas partie du groupe LIGO, a ajouté: «Oui! J’attendais quelque chose comme ça depuis que je me suis intéressé pour la première fois aux ondes gravitationnelles.

L’événement s’est déroulé à une distance presque inimaginable de la Terre – à 17 milliards d’années-lumière selon des calculs cosmologiques standard qui décrivent un univers en expansion. Un trou noir avec 85 fois la masse du soleil, et un second avec 66 masses solaires, est entré en collision, créant un trou noir 142 fois plus massif que le soleil.

Environ huit autres soleils de masse et d’énergie ont disparu en ondes gravitationnelles, ondulations du tissu spatio-temporel, en une fraction de seconde de frénésie, sonnant l’univers comme une cloche le matin du 21 mai 2019.

Une équipe internationale de scientifiques qui composent la collaboration scientifique LIGO et la collaboration Virgo ont rapporté leurs conclusions dans deux articles publiés mercredi dans Physical Review Letters et The Astrophysical Journal Letters.

Leurs articles affirment largement une analyse préliminaire de l’événement, connue sous le nom de GW190521 (après la date à laquelle il a été enregistré), faite par un groupe en dehors des collaborations. En juin, une équipe dirigée par Matthew Graham du California Institute of Technology, se basant sur des données accessibles au public, a effectué une analyse préliminaire, dans l’espoir de battre les groupes LIGO et Virgo à la réponse.

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À l’aide d’un télescope en Californie appelé Zwicky Transient Facility, ou ZTF, l’équipe de Graham a détecté un flash de lumière qui aurait pu être causé par le trou noir nouvellement formé traversant un disque de gaz dense entourant le centre d’une galaxie lointaine.

Ils ont prédit qu’une analyse finale montrerait que les masses combinées des trous noirs en collision dépasseraient 100 masses solaires et que le trou noir résultant tournerait sauvagement et aurait une grande vitesse de recul.

«C’est exactement ce que LIGO rapporte maintenant», a écrit Graham dans un courriel. «C’est une grande découverte de LIGO et fournit des preuves solides à l’appui du modèle et de l’environnement de fusion que nous avons promus.

La découverte est un autre triomphe pour la branche naissante de l’astronomie des ondes gravitationnelles, et pour la Vierge en Italie et les installations jumelles LIGO dans l’État de Washington et en Louisiane. Trente ans et 1 milliard de dollars dans la planification et la fabrication, les trois laboratoires utilisent la lumière laser, rebondissant entre des miroirs dans des bras en forme de L, pour détecter l’étirement et la compression submicroscopiques de l’espace-temps au passage des ondes gravitationnelles.

Seules les confrontations entre les habitants les plus massifs de l’univers peuvent suffisamment ébranler l’espace-temps pour être remarquées par ces antennes. Les trous noirs sont des objets prédits par Albert Einstein comme étant si denses que même la lumière ne peut leur échapper.

En septembre 2015, juste après la mise en service des antennes LIGO, une paire de trous noirs en collision a été détectée, prouvant à la fois l’existence d’ondes gravitationnelles et de trous noirs. Cette découverte a valu aux fondateurs de LIGO le prix Nobel de physique.

Depuis lors, une taxonomie des trous noirs a émergé de la découverte de choses qui se heurtent dans l’obscurité.

Des trous noirs qui ne devraient pas exister ont été découverts lors de la collision de trous noirs la plus bruyante jamais enregistrée

Deux trous noirs fusionnent dans une collision massive [artist’s impression] Image: SXS

Les trous noirs les plus connus sont les cadavres d’étoiles massives qui sont mortes et se sont effondrées de manière catastrophique en rien: des choses sombres quelques fois plus massives que le soleil. Mais les galaxies abritent des trous noirs des millions ou des milliards de fois plus massifs que cela. Comment ces objets peuvent devenir si grands est un mystère permanent de l’astronomie.

Jusqu’à récemment, il y avait peu de preuves de trous noirs de tailles intermédiaires, avec 100 à 100 000 masses solaires. Le trou noir créé lors de la fusion GW190521 est le premier exemple solide de ce lien manquant.

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«Je cherchais des trous noirs lourds pendant 15 ans et le voici!» Sergey Klimenko, physicien à l’Université de Floride, a écrit dans un courriel. «Cette découverte est une étape importante dans l’astronomie des ondes gravitationnelles.»

En conséquence, a-t-il dit, les astronomes ont peut-être entrevu le processus par lequel l’univers construit des trous noirs, transformant les pipsqueaks en léviathans comme celui de la galaxie M87 qui a été le premier jamais imaginé.

«C’est la première et la seule mesure de masse ferme / sécurisée d’un trou noir de masse intermédiaire au moment de sa naissance», a écrit Vicky Kalogera, astrophysicienne à l’Université Northwestern, dans un courriel. «Maintenant, nous connaissons de manière fiable au moins une façon» ces objets peuvent se former, «par la fusion d’autres trous noirs».

Ce processus de fusion pourrait être un indice important sur l’origine du plus lourd des deux trous noirs qui sont entrés en collision en juin. Ce trou noir avait une masse de 85 soleils, et il n’aurait pas dû exister, selon la logique astrophysique standard. Les trous noirs avec des masses entre environ 50 et 120 soleils ne peuvent pas être formés, au moins à partir d’une étoile mourante, donc l’histoire et les calculs vont.

Dans les étoiles suffisamment massives pour faire un trou aussi bestial, l’intérieur devient si chaud en s’effondrant que la lumière crée spontanément des paires d’électrons et de positrons. Cela rend l’étoile encore plus chaude, ce qui produit plus de particules, dans une réaction d’emballement qui entraîne une explosion particulièrement violente appelée supernova d’instabilité de paire. Une telle conflagration ne laisse rien derrière.

«Pas d’étoile à neutrons», a déclaré Holz. «Pas de trou noir. Rien. »

Il a mentionné le trou noir dans GW190521 avec 85 masses solaires: «Le plus grand trou noir est juste au milieu de la région où les trous noirs n’appartiennent pas. La nature semble avoir ignoré tous nos calculs théoriques minutieux affirmant que les trous noirs de cette masse n’existent pas.

Il a ajouté: «Une découverte comme celle-ci est à la fois décourageante et exaltante. D’une part, l’une de nos croyances chères s’est avérée fausse. D’un autre côté, voici quelque chose de nouveau et d’inattendu, et maintenant la course est lancée pour essayer de comprendre ce qui se passe.

Une possibilité intéressante, selon Holz et d’autres, est que le trou trop lourd était composé de deux trous noirs plus petits qui s’étaient heurtés et fusionnés. Dans ce cas, la fusion observée en juin aurait été un événement de deuxième ou même de troisième génération, un événement dans une série hiérarchique de fusions de trous noirs qui aboutit finalement à des trous noirs supermassifs.

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Certains astrophysiciens pensent que de telles fusions sont plus susceptibles de se produire près des centres des galaxies, où les trous noirs supermassifs créent des puits tourbillonnants de gaz et d’autres objets, et dans lesquels des milliers de petits trous noirs pourraient se rassembler et se reproduire. C’est ce que l’équipe de Graham avait suggéré.

Mais la fusée éclairante que le groupe de Graham a vue provenait d’une galaxie éloignée d’environ 8 milliards d’années-lumière, environ la moitié de l’événement d’onde gravitationnelle GW190521, mettant en doute leur identification de la source.

Néanmoins, de nombreux collaborateurs du LIGO, y compris Kalogera, ont exprimé leur sympathie à l’idée que ce soit dans de telles fosses géantes à trous noirs supermassifs que de plus grands trous noirs sont construits. Ces arènes sont connues sous le nom de noyaux galactiques actifs ou AGN.

«J’adorerais que le flash ZTF soit vrai», a déclaré Marka de Columbia. «C’est juste plus excitant.»

KE Saavik Ford, astronome à l’American Museum for Natural History et membre de l’équipe de Graham, a qualifié les nouveaux résultats du LIGO de très excitants.

«Nous leur sommes très reconnaissants pour tout leur travail acharné, et nous sommes heureux qu’ils abordent le scénario AGN en détail dans le journal ApJ», a-t-elle écrit dans un e-mail. «C’est la loi sur le plein emploi pour les modélisateurs AGN!»

Dennis Overbye. c.2020 The New York Times Company

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