Loin dans les profondeurs de l’espace, deux trous noirs spiralent l’un vers l’autre et fusionnent. Les puissantes ondes gravitationnelles de cette danse de la mort courent à travers le cosmos jusqu’à ce que leurs ondulations atteignent trois détecteurs géants sur Terre : deux avec l’observatoire d’ondes gravitationnelles LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) basé aux États-Unis et le détecteur européen Virgo en Italie.

Les détecteurs ont détecté des dizaines de cataclysmes de ce type au cours des 5 dernières années, mais celui du 21 mai 2019 était différent. Non seulement il s’agissait de la fusion la plus puissante et la plus lointaine jamais observée, mais le trou noir qui en est résulté appartient également à une classe de trous noirs de poids moyen recherchée depuis longtemps, rapportent aujourd’hui les membres de la collaboration LIGO-Virgo dans deux nouvelles études. Cependant, les deux trous noirs qui ont fusionné sont plus lourds que prévu : Leurs masses se situent dans un interstice dans lequel les théoriciens estiment qu’il est impossible de créer un trou noir par la voie habituelle d’une étoile qui s’effondre.

Les trous noirs de classe stellaire sont généralement créés lorsqu’une grande étoile n’a plus de combustible nucléaire et que le moteur de barattage de la lumière et de la chaleur s’arrête. Sans cette pression extérieure, les couches externes de l’étoile s’effondrent sous l’effet de la gravité, déclenchant une supernova colossale et laissant derrière elle un trou noir. Mais dans les plus grosses étoiles, l’effondrement est encore plus catastrophique, provoquant une explosion thermonucléaire qui détruit l’étoile sans rien laisser derrière elle. Théoriquement, cela signifie qu’il devrait y avoir une coupure dans la masse des trous noirs à environ 65 masses solaires.

Jusqu’en mai 2019, les fusions de trous noirs détectées par LIGO et Virgo ont largement soutenu cette coupure de masse. Puis est arrivé l’événement connu sous le nom de GW190521, qui a duré seulement un dixième de 1 seconde. Il n’a pas été repéré par les algorithmes habituels qui recherchent les fusions binaires (qui durent généralement plusieurs fois plus longtemps), mais a été capté par un pipeline distinct qui recherche « les choses qui font boum », explique Nelson Christensen, physicien à l’Observatoire de la Côte d’Azur à Nice et membre de l’équipe LIGO-Virgo.

Malgré la brièveté du signal – seulement quatre cycles d’ondes ascendantes et descendantes – l’équipe a pu l’analyser, analyser son amplitude, sa forme et l’évolution de sa fréquence dans le temps. « Il était très difficile à interpréter », explique Alessandra Buonanno, membre de l’équipe et directrice de l’Institut Max Planck de physique gravitationnelle (Institut Albert Einstein). « Nous avons passé beaucoup de temps à nous persuader de faire confiance à ce que nous avions trouvé. »

Dans deux articles publiés aujourd’hui – l’un décrivant la détection dans Physical Review Letters, l’autre interprétant les données dans The Astrophysical Journal Letters – l’équipe conjointe LIGO-Virgo affirme que le modèle qui correspond le mieux aux données est celui de deux trous noirs – pesant environ 66 et 85 masses solaires – fusionnant en un trou noir de 142 Soleils. Les huit masses solaires restantes auraient été converties en énergie des ondes gravitationnelles. « C’était assez substantiellement plus grand que tout ce que nous avions vu », dit Christensen.

Un trou noir de 142 masses solaires le place instantanément dans une classe à part. Alors que les astronomes connaissent depuis longtemps des trous noirs plus petits et des géants dans les centres galactiques composés de millions ou de milliards de soleils, ceux de taille moyenne – de 100 à 100 000 masses solaires – brillent par leur absence. Les astronomes pensent qu’elles sont nécessaires comme éléments de construction des trous noirs supermassifs, et il existe des preuves indirectes de leur existence, mais cette observation est peut-être la plus convaincante à ce jour, même si elle se situe tout en bas de l’échelle. « C’est juste un indice qu’il y a quelque chose dans cette gamme de masses », dit l’astrophysicien Avi Loeb de l’Université de Harvard qui n’a pas participé à l’étude.

Peut-être plus intéressant pour les astrophysiciens sont les origines des deux trous noirs qui fusionnent. Le plus léger est juste à la limite de l’écart de masse, il pourrait donc bien s’être formé à partir d’une seule étoile gargantuesque. Mais 85 masses solaires, c’est difficile à expliquer. « C’est passionnant parce que c’était inattendu », dit Loeb. « L’écart de masse était robuste, mais maintenant la porte est ouverte à de nouveaux modèles. »

Dans leur article interprétatif, l’équipe a examiné de nombreuses explications possibles. Les trous noirs pourraient être primordiaux, ayant traîné depuis le maelström de l’univers primitif, avant la naissance des premières étoiles. Ou bien il pourrait s’agir de petits trous noirs, dont la fusion a été amplifiée par la lentille gravitationnelle. Ou peut-être – plus exotiquement – les ondulations provenaient-elles de cordes cosmiques, d’hypothétiques défauts du vide laissés par le big bang. Mais aucune de ces explications ne correspondait aux données aussi bien qu’une paire de poids lourds en fusion. L’équipe s’est donc rabattue sur « le bon vieux rasoir d’Occam », explique Christensen : L’explication la plus simple est probablement la bonne.

Loeb pense que les poids lourds sont probablement « multigénérationnels », dans lesquels des trous noirs plus petits dans des zones de formation d’étoiles denses fusionnent plusieurs fois pour produire des masses supérieures au seuil de coupure. Les galaxies sont souvent entourées de denses amas d’étoiles appelés amas globulaires. Ceux-ci peuvent contenir des centaines de milliers d’étoiles anciennes : des terrains de reproduction idéaux pour les trous noirs. Lorsque les trous noirs s’enfoncent vers le centre de l’amas globulaire, ils ont plus de chances de fusionner avec d’autres. « Ces environnements sont spécialisés, c’est pourquoi nous ne les découvrons que maintenant », dit-il, après que LIGO et Virgo ont détecté plus de 60 fusions.

Mais les amas sont susceptibles de contenir des trous noirs de masses différentes, et les fusions asymétriques produisent des explosions asymétriques qui peuvent éjecter le nouveau trou noir hors de l’amas à une vitesse pouvant atteindre 1000 kilomètres par seconde. Pour que les amas soient des pépinières de trous noirs dans l’écart de masse, les reculs doivent être faibles et les amas doivent être suffisamment massifs pour les empêcher de s’échapper, explique Loeb.

LIGO et Virgo sont en cours de mise à niveau et devraient reprendre leurs observations en 2022 avec une sensibilité accrue, ce qui leur permettra d’étudier trois fois plus le cosmos. La découverte d’un plus grand nombre de fusions de ce type nous permettra d’en savoir plus sur l’astrophysique de ces pouponnières stellaires », explique Loeb. « Plus nous aurons d’événements, plus nous aurons d’indices sur leurs origines »

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