Ondes gravitationnelles : l’origine des trous noirs énigmatiques de Ligo et Virgo se précise

janvier 21, 2022 0 Par Astro Photo Météo 53

Bien des fusions détectées par Ligo et Virgo font intervenir des trous noirs dont les masses dépassent celles des trous noirs stellaires trahis par des émissions de rayons X. Des scénarios ont été proposés pour rendre compte de l’existence énigmatique de ces astres compacts. Une nouvelle analyse du cas de la source d’ondes gravitationnelles GW190521 vient de conforter l’hypothèse à la base de ces scénarios.

On a de la peine à le croire mais cela fait déjà six ans que l’on a détecté directement sur Terre le passage d’une onde gravitationnelle. L’étude des pulsars binaires avait déjà fourni des indications indirectes depuis des décennies de la réalité de ces ondes. Les calculs menés à partir des équations de la relativité générale d’Einstein avaient en effet montré que pour ces étoiles à neutrons l’émission d’ondes s’accompagnait d’une perte d’énergie suffisamment rapide pour des systèmes binaires qu’il en devenait possible à l’échelle humaine de constater une diminution de la période orbitale des deux astres qui se rapprochaient donc l’un de l’autre. La vitesse d’évolution pouvait être calculée et des décennies de mesures avec des radiotélescopes, comme celui d’Arecibo, avaient conduit à vérifier avec une étonnante précision les prédictions à ce sujet, ce qui ne laissait déjà guère de doutes sur l’existence des ondes gravitationnelles.

Les détecteurs Ligo et Virgo ont donc permis de vérifier que ces émissions d’ondes conduisaient finalement aussi des trous noirs dans un système binaire à se rapprocher au point d’entrer en collision et de fusionner, émettant de fantastiques quantités d’énergie, là aussi sous forme d’ondes gravitationnelles, au point de convertir parfois jusqu’à plusieurs masses solaires en énergie pure emportées par ces ondes en bien moins d’une seconde.

On sait que selon le même principe des collisions entre étoiles à neutrons et entre trous noirs et étoiles à neutrons devaient se produire et là aussi les deux détecteurs ont mis en évidence les ondes produites.

Des trous noirs anormalement massifs pour une simple origine stellaire
Rappelons que nous sommes ainsi entrés dans l’ère de l’astronomie gravitationnelle grâce à Kip Thorne et Rainer Weiss d’un côté de l’Atlantique, Alain Brillet et Thibault Damour de l’autre côté. Mais, il ne faut pas oublier aussi tous les autres membres des collaborations Ligo et Virgo qui ont permis la détection et l’analyse des ondes gravitationnelles directement sur Terre ainsi que, bien évidemment, tant d’autres noms associés à leur quête depuis des décennies et qui sont malheureusement décédés (Ron Drever, Vladimir Braginsky, etc.).

Tout comme le spectre du rayonnement d’une étoile nous indique bien des choses sur une étoile, le spectre des ondes gravitationnelles peut nous révéler les masses, les moments cinétiques et des paramètres orbitaux comme l’excentricité des trous noirs dans un système binaire. Et ce fut donc une surprise lorsque les astrophysiciens relativistes ont calculé que les masses de la première source d’onde gravitationnelle détectée sur Terre étaient de respectivement environ 36 et 29 masses solaires pour les deux trous noirs géniteurs de GW150914 (GW étant l’acronyme de gravitational wave, onde gravitationnelle en anglais, et 150914 indiquant la date de l’observation, le 14 septembre 2015).

En effet, bien que l’on soit dans des ordres de grandeur des masses des étoiles massives, la théorie de l’évolution stellaire appliquée à la naissance des trous noirs par effondrement de ces étoiles en fin de vie a fortement tendance à produire des trous noirs stellaires nettement moins massifs. De fait, les rares trous noirs stellaires détectés auparavant, notamment par les émissions en rayons X des disques d’accrétion qui les entourent parfois, ne dépassaient pas les 15 masses solaires et l’on ne comprend donc pas très bien comment ces astres compacts ont pu se former. Ligo et Virgo ont de plus fourni d’autres exemples.

Le cas de GW190521 est encore plus problématique. L’analyse du signal de la source observée par Ligo et Virgo, le 21 mai 2019, a en effet révélé qu’il était le produit de la fusion de deux trous noirs de respectivement 85 et 65 fois la masse du Soleil environ. Le produit final de cette fusion a dû être un trou noir de 142 masses solaires, ce qui veut dire que c’est l’équivalent de presque huit masses solaires qui ont été converties en rayonnement gravitationnel pur.

Les chercheurs ont donc proposé rapidement divers scénarios pour tenter d’expliquer l’existence de telles anomalies.

Des scénarios de fusion au cœur des galaxies et des amas globulaires
Ces scénarios reposent tous sur un même processus dit de fusion hiérarchique.

Dans l’un de ces scénarios, tout se passe dans le disque d’accrétion d’un trou noir supermassif au cœur des galaxies, plus précisément lorsque l’on est en présence d’un noyau actif de galaxies. Dans ce type de noyaux alimentés en gaz très souvent par des filaments de matière froide, des étoiles et trous noirs vont avoir tendance à se concentrer.

Dans le disque d’accrétion entourant le trou noir géant central, les forces de frictions en quelque sorte causées par le gaz présent vont tendre à faire sédimenter, si l’on peut dire, les trous noirs de masses stellaires classiques.

Des calculs menés lors de simulations montrent alors qu’un anneau situé à environ 300 fois le rayon de l’horizon des événements du trou noir central est le lieu d’une accumulation des trous noirs stellaires où ils se trouvent piégés. Ils vont avoir tendance à fusionner pour donner par accrétion – un peu comme les planètes se sont formées dans les disques protoplanétaires – des trous noirs avec des masses plus grandes que celles ordinairement obtenues par effondrement gravitationnel d’étoiles géantes dans des systèmes binaires.

Dans l’autre scénario, basé là aussi sur des simulations, les fusions entre trous noirs de masses stellaires sont catalysées par des rencontres entre ces trous noirs dans l’environnement particulier des amas globulaires. Rappelons que ce sont des assemblages d’anciennes étoiles particulièrement denses, pouvant rassembler en moyenne quelques centaines de milliers d’étoiles dans une sphère dont le diamètre n’est que de quelques dizaines à une centaine d’années-lumière tout au plus. On a donc des distances inter-étoiles de l’ordre d’une année-lumière en moyenne, mais pouvant être de l’ordre de la taille du Système solaire dans leur cœur.

Mais, comment tester ces scénarios ou pour le moins accréditer l’hypothèse du processus de fusion hiérarchique ? On a un début de réponse avec un article publié dans Nature Astronomy par des chercheurs du Centre for Computational Relativity and Gravitation du Rochester Institute of Technology et de l’Université de Floride.

Selon cette hypothèse, les orbites des trous noirs avant fusion doivent être particulièrement excentriques puisque les systèmes binaires se forment par captures mutuelles de trous noirs stellaires et pas par évolution de deux étoiles massives formant une étoile double.

Les chercheurs ont donc repris les analyses des signaux détectées par Ligo et Virgo et se sont notamment concentrés sur le cas de GW190521. Il a fallu aussi générer des signaux représentant des systèmes binaires avec forte excentricité et diverses masses pour les comparer au signal de GW190521. Les astrophysiciens ont donc effectué des centaines de nouvelles simulations numériques complètes avec des superordinateurs de laboratoire, locaux et nationaux, ce qui a pris près d’un an.

Au final, le signal de GW190521 s’explique effectivement mieux avec une orbite à l’excentricité marquée, ce qui conforte l’hypothèse de l’existence de processus de fusion hiérarchique.

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/trou-noir-ondes-gravitationnelles-origine-trous-noirs-enigmatiques-ligo-virgo-precise-96251/