Les trous noirs révèlent une plage de masses interdite dans l’univers

Une équipe internationale de chercheurs a identifié pour la première fois une zone de masses où les trous noirs d’origine stellaire ne peuvent pas se former, entre 45 et 120 masses solaires. Cette découverte, publiée dans Nature le 1er avril, confirme que les étoiles les plus massives s’anéantissent complètement lors d’explosions thermonucléaires plutôt que de s’effondrer en trous noirs.

L’analyse de centaines de fusions de trous noirs a mis en évidence un vide statistique significatif dans la distribution des masses stellaires. Ce phénomène, longtemps prédit par la théorie mais jamais observé avec une telle clarté, ouvre une nouvelle fenêtre sur la physique des étoiles les plus extrêmes de l’univers.

Le silence des masses intermédiaires

Le réseau d’observatoires d’ondes gravitationnelles LIGO-Virgo-KAGRA a fourni les données nécessaires à cette découverte. En examinant le quatrième catalogue des transitoires d’ondes gravitationnelles (GWTC-4), l’équipe dirigée par Hui Tong de l’Université Monash a constaté l’absence quasi totale de trous noirs d’origine stellaire commençant autour de 45 fois la masse du Soleil.

« L’observation s’explique bien par l’instabilité de paires ; il n’y a pas de trous noirs d’origine stellaire dans la zone interdite car les étoiles subissent des supernovae par instabilité de paires », explique le chercheur.

Cette absence contraste avec la présence abondante de trous noirs plus légers, formés par l’effondrement d’étoiles de masse inférieure, et de trous noirs plus massifs, issus de fusions successives. La limite inférieure de cette zone interdite se situe à environ 44 masses solaires, en accord remarquable avec les prédictions théoriques établies depuis des décennies.

Le mécanisme destructeur des étoiles supermassives

Pour comprendre ce phénomène, il faut revenir aux processus physiques qui gouvernent la fin de vie des étoiles. Alors que les étoiles de masse modérée s’effondrent sous leur propre gravité pour former des trous noirs, les étoiles extrêmement massives connaissent un destin différent.

• Les températures atteignent des niveaux si élevés que les photons se transforment en paires électron-positron
• Cette conversion prive l’étoile de la pression de radiation nécessaire à son équilibre
• L’étoile subit alors une explosion thermonucléaire incontrôlée, connue sous le nom de supernova par instabilité de paires
• L’explosion est si violente qu’elle détruit complètement l’étoile, ne laissant aucun résidu compact

Ce processus explique pourquoi aucune étoile ne peut survivre suffisamment intacte pour former un trou noir dans cette plage de masses. Les quelques trous noirs observés dans cette zone proviennent exclusivement de fusions entre trous noirs plus petits, comme l’ont démontré les chercheurs.

Une fenêtre sur les réactions nucléaires stellaires

Le professeur Eric Thrane souligne l’aspect contre-intuitif de cette découverte : « C’est un résultat fascinant, car nous utilisons les trous noirs pour en apprendre davantage sur les réactions nucléaires à l’intérieur des étoiles ». Les ondes gravitationnelles deviennent ainsi un outil pour sonder des processus astrophysiques qui échappent à l’observation directe.

Maya Fishbach, de l’Université de Toronto, qualifie ces résultats de preuve indirecte de « l’une des explosions les plus titanesques du cosmos ». L’étude démontre la capacité des détecteurs d’ondes gravitationnelles à reconstituer l’histoire des étoiles massives, même lorsque leurs explosions ne sont pas observées en temps réel.

Amanda Farah, chercheuse postdoctorale à l’Institut canadien d’astrophysique théorique, insiste sur la portée de cette approche : « Nous avons rarement (voire jamais) l’occasion d’observer ces types d’explosions en temps réel, il est donc extraordinaire que nous puissions observer leurs empreintes durables si clairement dans les données d’ondes gravitationnelles ».