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Ondes gravitationnelles : un trou noir binaire dans une étoile ?

Les caractéristiques du trou noir binaire qui a fusionné en donnant les ondes gravitationnelles détectées par Ligo ont surpris. Pour les expliquer, l’astrophysicien Abraham Loeb a fait intervenir la fission du cœur d’une étoile géante en deux parties qui se sont effondrées en trous noirs. Cela permet d’imaginer que les événements détectés par Ligo ont parfois une contrepartie électromagnétique, par exemple, sous forme de sursaut gamma.

Cette vue d’artiste montre VFTS 532 – le système d’étoile double le plus chaud et le plus massif connu à ce jour, dont les composantes, situées à grande proximité l’une de l’autre, partagent du contenu matériel. Les deux étoiles de ce système extrême se situent à quelque 160.000 années-lumière de la Terre, dans le Grand Nuage de Magellan. Cette étrange paire s’achemine certainement vers une fin dramatique : la formation d’une unique étoile géante ou d’un futur trou noir binaire. © Eso, L. Calçada Cette vue d’artiste montre VFTS 532 – le système d’étoile double le plus chaud et le plus massif connu à ce jour, dont les composantes, situées à grande proximité l’une de l’autre, partagent du contenu matériel. Les deux étoiles de ce système extrême se situent à quelque 160.000 années-lumière de la Terre, dans le Grand Nuage de Magellan. Cette étrange paire s’achemine certainement vers une fin dramatique : la formation d’une unique étoile géante ou d’un futur trou noir binaire. © Eso, L. Calçada

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etoile double binaire eso

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GW150914, tel est le nom de la première source d'ondes gravitationnelles détectée directement sur Terre grâce au Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (Ligo). Tout porte à croire qu’il s’agissait de la collision accompagnée d’une fusion de deux trous noirs stellaires formant un système binaire. C’est la première fois que l’on a une preuve de l’existence d’un tel système mais les chiffres concernant les estimations les plus probables des masses des deux trous noirs, respectivement 29 et 36 masses solaires, laissent les astrophysiciens perplexes. Les rares trous noirs stellaires détectés ne dépassaient pas les 15 masses solaires et l’on ne comprend donc pas très bien comment ces astres compacts ont pu se former

Deux théories circulaient jusqu’à présent. L’une était plutôt classique et faisait intervenir un système double de géantes bleues destinées à exploser chacune en supernova SN II puis à laisser comme cadavre des trous noirs. Peut-être que la particularité de ce système, une fois bien comprise, permettra d’expliquer pourquoi l’explosion accompagnant l’effondrement gravitationnel peut tout de même laisser des objets compacts de plusieurs dizaines de masses solaires. L’autre faisait intervenir des trous noirs stellaires solitaires dans un environnement dense en étoile et riche en gaz qui auraient pu croître par accrétion avant de se capturer l’un l’autre pour former un système binaire.

Le célèbre astrophysicien de l’université d’Harvard, Abraham Loeb, vient quant à lui de proposer une autre hypothèse qui aurait certainement retenu l’attention de son défunt et incroyablement talentueux collègue, le prix Nobel de physique, Subrahmanyan Chandrasekhar.

Figure marquante de l'astrophysique théorique du XXe siècle, Subrahmanyan Chandrasekhar a laissé sa marque aussi bien dans la physique des étoiles que des galaxies et des trous noirs.
Figure de l’astrophysique théorique du XXe siècle, Subrahmanyan Chandrasekhar a laissé sa marque aussi bien dans la physique des étoiles que des galaxies et des trous noirs. © University of Chicago

Une hypothèse inspirée par la figure d’équilibre des astres en rotation

Rappelons que Chandra, comme il aimait qu’on l’appelle, a fait des travaux importants sur la structure des étoiles et la théorie des trous noirs, y compris lorsqu’ils sont binaires. Dans la lignée des Clairaut, Maclaurin, Darwin et Poincaré, l’astrophysicien s’était également intéressé aux figures d’équilibres des masses fluides autogravitantes et en rotation. Ces figures permettent de comprendre la forme de la Terre et ont donné lieu à des spéculations quant à l'origine de la Lune. En effet, il y a plus d’un siècle, George Darwin, un astronome et mathématicien anglais, fils du célèbre biologiste britannique Charles Darwin, avait calculé ce qui pouvait se passer dans le cas d’une rotation rapide de la jeune Terre à l’état fluide et chaud. Il avait montré que cela pouvait conduire à l’éjection d’un lambeau de matière un peu à la façon de la formation de gouttes de liquide issues de la séparation d’une goutte unique déformée en forme d’haltère et en rotation.

Comme il l’explique dans un article déposé sur arXiv, Loeb reprend certains éléments de cette hypothèse. Il considère une jeune étoile massive en rotation rapide, tellement rapide que son cœur se sépare en deux parties alors qu’il s’effondre et qui vont ensuite continuer de se contracter en trous noirs. Sur des orbites rapprochées, ceux-ci vont rapidement entrer en collision comme le veut le scénario à l’origine de GW150914.

Une telle étoile particulièrement massive, car dépassant les 100 masses solaires, peut se former en raison de la fusion de deux jeunes étoiles composant une binaire à contact. Un phénomène dont nous avons des preuves de son occurrence dans le monde réel.

L’astronomie gravitationnelle et l’énergie noire

En bonus, Abraham Loeb n’explique pas seulement l’existence de GW150914, il suggère que le petit sursaut gamma que le télescope Fermi a observé 0,4 seconde après sa détection par Ligo dans la région où se trouvait peut-être l’astre à l’origine de GW150914 est bel et bien en relation avec la collision des deux trous noirs (son cousin européen, Integral, n’a lui rien détecté). En effet, ceux-ci étant entourés de matière au cours de l’événement, des processus électromagnétiques similaires à ceux postulés avec les hypernovae avec formation de trous noirs à l’origine de certains sursauts gamma ont dû survenir.

La possibilité d’observer et d’étudier des contreparties électromagnétiques aux sources d’ondes gravitationnelles n’est pas seulement excitante pour les astrophysiciens relativistes cherchant à mieux comprendre les objets compacts et leurs interactions avec leur environnement. Elle ouvre aussi des perspectives pour les cosmologistes en permettant d’associer des décalages spectraux et des distances précises pour ces sources ce qui, en retour, devrait permettre d’affiner la mesure de certains paramètres cosmologiques fondamentaux concernant par exemple la nature de l'énergie noire.

À découvrir en vidéo autour de ce sujet :


Ça y est, des ondes gravitationnelles ont été détectées. Ces fluctuations de l’espace-temps proviennent de la fusion de deux trous noirs d’environ 30 fois la masse de notre Soleil. Découvrez dans cette vidéo comment les scientifiques de Ligo ont pu effectuer ces premières mesures.


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