Les trous noirs, mystérieux et inévitables, comptent parmi les objets les plus exotiques de l’univers. Une récente étude menée par des chercheurs de l’Institut Heidelberg d’Études Théoriques (HITS) en Allemagne suggère que le son, communément appelé « chant », produit par la fusion de deux trous noirs se produit de préférence dans deux gammes de fréquences universelles.
La découverte des ondes gravitationnelles en 2015, déjà postulée par Einstein un siècle plus tôt, a conduit au prix Nobel de physique 2017 et a initié l’astronomie des ondes gravitationnelles. Lorsque deux trous noirs de masse stellaire fusionnent, ils émettent des ondes gravitationnelles de fréquence croissante, le fameux signal « chirp« , qui peut être « entendu » sur Terre.
En observant cette évolution de fréquence (le « chirp« ), les scientifiques peuvent déduire ce que l’on appelle la « masse de chirp », une combinaison mathématique des deux masses individuelles des trous noirs.
Jusqu’à présent, on supposait que les trous noirs qui fusionnaient pouvaient avoir n’importe quelle masse. Les modèles de l’équipe suggèrent cependant que certains trous noirs ont des masses standard qui se traduisent par des gazouillis universels. « L’existence de masses universelles de chirp ne nous indique pas seulement comment les trous noirs se forment« , explique Fabian Schneider, qui a dirigé l’étude à HITS, « elle peut également être utilisée pour déterminer quelles étoiles explosent en supernovae« .
En outre, elle permet de mieux comprendre le mécanisme des supernovas, la physique nucléaire et stellaire incertaine, et offre aux scientifiques un nouveau moyen de mesurer l’accélération de l’expansion cosmologique de l’Univers.
« De graves conséquences pour le destin final des étoiles »
Les trous noirs de masse stellaire dont la masse est d’environ 3 à 100 fois celle de notre Soleil sont les extrémités d’étoiles massives qui n’explosent pas en supernovæ mais s’effondrent en trous noirs. Les progéniteurs des trous noirs qui conduisent à des fusions sont nés à l’origine dans des systèmes d’étoiles binaires et connaissent plusieurs épisodes d’échange de masse entre les composants : en particulier, les deux trous noirs sont issus d’étoiles qui ont été dépouillées de leur enveloppe.
« Le dépouillement de l’enveloppe a de graves conséquences sur le destin final des étoiles. Par exemple, il facilite l’explosion des étoiles en supernova et conduit également à des masses universelles de trous noirs, comme le prévoient désormais nos simulations« , explique Philipp Podsiadlowski de l’Université d’Oxford, deuxième auteur de l’étude et actuellement professeur invité Klaus Tschira à l’HITS.
Le « cimetière stellaire« , qui rassemble toutes les masses connues des restes d’étoiles à neutrons et de trous noirs d’étoiles massives, s’agrandit rapidement grâce à la sensibilité toujours plus grande des détecteurs d’ondes gravitationnelles et à la recherche permanente de ces objets. En particulier, il semble y avoir une lacune dans la distribution des masses de chirp des trous noirs binaires qui fusionnent, et des preuves émergent de l’existence de pics à environ 8 et 14 masses solaires. Ces caractéristiques correspondent aux chirps universels prédits par l’équipe HITS.
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« Toute caractéristique dans la distribution des masses des trous noirs et des chirps peut nous en apprendre beaucoup sur la façon dont ces objets se sont formés« , explique Eva Laplace, troisième auteur de l’étude.
Pas dans notre galaxie : des trous noirs de masse beaucoup plus importante
Depuis la première découverte de trous noirs en train de fusionner, il est devenu évident qu’il existe des trous noirs d’une masse beaucoup plus importante que ceux que l’on trouve dans notre Voie lactée. C’est une conséquence directe du fait que ces trous noirs proviennent d’étoiles nées avec une composition chimique différente de celle de notre Voie lactée. L’équipe HITS a pu montrer que, quelle que soit leur composition chimique, les étoiles dont l’enveloppe est déchirée dans des binaires proches forment des trous noirs d’une masse inférieure à 9 et supérieure à 16 masses solaires, mais pratiquement aucun trou noir entre les deux.
Lors de la fusion des trous noirs, les masses universelles des trous noirs d’environ 9 et 16 masses solaires impliquent logiquement des masses de chirp universelles, c’est-à-dire des sons universels. Lors de la mise à jour de mon cours sur l’astronomie des ondes gravitationnelles, j’ai réalisé que les observatoires d’ondes gravitationnelles avaient trouvé les premiers indices d’une absence de masses chirp et d’une surabondance aux masses universelles prédites par nos modèles », explique Fabian Schneider. « Comme le nombre de fusions de trous noirs observées est encore assez faible, on ne sait pas encore si ce signal dans les données n’est qu’un hasard statistique ou non« .
Quelle que soit l’issue des futures observations des ondes gravitationnelles, les résultats seront passionnants et aideront les scientifiques à mieux comprendre d’où viennent les trous noirs qui chantent dans cet océan de voix.
Publication : Fabian R. N. Schneider, Philipp Podsiadlowski, et Eva Laplace : Bimodal Black Hole Mass Distribution and Chirp Masses of Binary Black Hole Mergers. The Astrophysical Journal Letters, 950, 2, DOI 10.3847/2041-8213/acd77a, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acd77a
Légende illustration principale : Ondes dans l’espace-temps autour d’un système de trous noirs binaires en fusion, d’après une simulation numérique de la relativité. Crédit : Deborah Ferguson, Karan Jani, Deirdre Shoemaker, Pablo Laguna, Georgia Tech, MAYA Collaboration
