Scientifiques du réseau d’observatoires Ligo-virgo-karga Ils ont détecté « l’écho gravitationnel » de Fusion de trous noirs plus colossaux jamais enregistrés. Cet événement record, appelé GW231123a été observé indirectement à travers des ondulations gravitationnelles dans le tissu de l’espace-temps produit par la collision d’un trou noir de 140 masses solaires et un 100 masses solairesdont la fusion a produit un seul trou noir de 225 masses solaires. Le record précédent remonte à un événement similaire détecté en 2021 qui a produit un trou noir de 140 masses solaires.
Le signal remonte au 23 novembre 2023, mais l’annonce n’arrive que maintenant parce qu’elle a servi plus d’un an et demi d’analyse pour atteindre un degré de sécurité suffisant sur l’interprétation des données collectées. La découverte est particulièrement intéressante car elle représente une Défi interprétatif pour les physiciens et les astrophysiciens: Ces trous noirs de masse élevée ne peuvent pas être produits directement à partir de la mort d’étoiles massives, il est donc supposé qu’ils ont été générés par des fusions précédentes. De plus, au moins l’un des deux protagonistes de cette collision cosmique violente a montré des signes d’une rotation aussi rapide qu’elle est précisément à la limite de ce qui permet la relativité d’Einstein.
L’explication scientifique de la fusion record: ce que dit la physique
Tout d’abord, clarifions qu’un trou noir n’est pas un objet astrophysique comme les autres. Ce n’est pas une « balle » faite d’un matériau, comme peut être une étoile ou une planète, mais une région de l’espace-temps: En particulier, une région d’espace-temps caractérisée par une gravité si intense qu’elle empêche la transmission vers l’extérieur de tout type d’information du sujet contenu dans celle-ci.
Des trous noirs se forment lorsqu’une masse est comprimée au-delà d’une certaine limite de volume: cela crée une « bordure » imaginaire dans l’espace-temps, appelé horizon des événementsqui cache le contenu du trou noir lui-même au reste de l’univers. Pour vous donner une idée, si nous voulions transformer toute la planète Terre en un trou noir, nous devons le comprimer jusqu’à ce qu’il atteigne la taille d’un arachide! En fait, le seul mécanisme connu capable de faire quelque chose comme ça est catastrophique implosion du noyau des étoiles très massives (au moins 20 masses solaires) qui a lieu lorsque des supernovae explosent.
À ce stade, un trou noir peut se développer si quelque chose se termine à l’intérieur ou fusionner avec un autre trou noir, comme cela s’est produit dans ce cas. Et ici, le plus attentif d’entre vous aura remarqué un détail important: si les deux trous noirs étaient de 140 et 100 masses solaires, car le trou noir résultant n’est pas 240 masses solaires? Où est la masse manquante?
La réponse est qu’elle s’est transformée en énergie. Lorsque nous avons affaire à des événements très énergiques, tels que la fusion nucléaire ou la fusion des trous noirs ou des étoiles à neutrons, ce fait est loin d’être inhabituel. La possibilité de convertir la masse en énergie ou vice versa est établie par la formule la plus célèbre de toute physique, ET = MC2que nous devons bien Albert Einstein. La formule dit que d’une messe m Il peut être converti en une quantité d’énergie ET qui est la même que la masse de départ pour le carré de la vitesse de la lumière c (environ 300 millions de mètres par seconde).
Dans ce cas, la beauté de 15 masses solairesc’est-à-dire la différence entre les 240 attendus et les 225 réels. Nous parlons de quelque chose comme 30 000 milliards de milliards de milliards de kg, en utilisant la formule d’Einstein, donnez-nous une valeur effrayante 2,7 · 1048 joule! C’est une énergie des milliers de milliards de milliards de milliards de fois plus élevés que celles libérées du dispositif nucléaire le plus puissant jamais réalisé, la bombe Zar.
Comment observer une fusion de trous noirs: ondes gravitationnelles
Comme une explosion libre d’ondes de choc dans l’air, la fusion de deux objets très hauts de gravité tels que les trous noirs produit des « ondes de choc » dans le tissu même de l’espace-temps: c’est vagues de gravité qui sont nommés ondes gravitationnelles. L’effet de déformation de l’espace-temps à une grande distance est cependant incroyablement petitmoins que la taille d’un noyau atomique. C’est pourquoi des outils incroyablement précis sont nécessaires, appelés interféromètrespour détecter les ondes gravitationnelles. Ce n’est pas un hasard si c’est quelque chose que nous avons commencé à faire il y a seulement dix ans, en 2015!
En analysant chaque détail des ondes gravitationnelles détectées, les scientifiques sont capables de les reconstruire « en arrière » la cause qui les a provoqués: dans ce cas, les propriétés des deux trous noirs et la dynamique de leur fusion.
L’événement GW231123 a été enregistré par le réseau de détecteurs Ligo-virgo-karga. Ligo (Laser interféromètre d’observatoire à ondes gravitationnelles) se compose de deux détecteurs jumeaux aux États-Unis: c’est l’observatoire que, en 2015, a détecté les premières ondes gravitationnelles jamais observées. Vierge Il s’agit plutôt d’un interfévre italien, situé près de Pise, tandis que Kagra (Détecteur d’ondes gravitationnelles kamioka) est situé au Japon. Ensemble, ces trois consortiums ont enregistré plus de 300 Noirs de trous noirs.
Parce que cette découverte est importante
Comme nous l’avons dit, c’est la première fois qu’une telle fusion « massive » est observée entre les trous noirs, mais une masse trop élevée est le résultat direct d’une explosion de supernova. Des événements comme celui-ci peuvent donc nous aider à comprendre les mécanismes astrophysiques complexes sur « Généalogie des trous noirs »c’est-à-dire que « de petits » trous noirs d’origine stellaire évoluent avec le temps en trous noirs de plus en plus grands, pour former le Trous noirs supermassicci qui occupent le centre de presque toutes les galaxies. À l’heure actuelle, très peu de choses sur la croissance des trous noirs: c’est pourquoi ces observations sont très précieuses pour l’astrophysique.
La rotation vertigineuse des deux trous noirs est également très intéressante. « Ils semblent tourner très rapidement, près de la limite autorisée par la théorie de la relativité générale d’Einstein », a-t-il expliqué Charlie Hoymembre du réseau LVK. «Cela rend le signal difficile à modéliser et à interpréter. C’est un excellent cas d’étude pour pousser le développement de nos outils théoriques ».