Sur cette image d'artiste, on voit un trou noir binaire traverser le disque d'accrétion d'un trou noir supermassif. © Caltech, R. Hurt (IPAC).

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La fusion de trous noirs fait briller un quasar !

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[EN VIDÉO] Ondes gravitationnelles : leur détection expliquée en une minute  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. 

Les collisions de trous noirs ne doivent normalement pas s'accompagner d'un flash d'ondes électromagnétiques mais bien d'ondes gravitationnelles et d'un unique trou noir résultant. Toutefois, un tel flash a été observé avec une source d'ondes détectée par Ligo et Virgo. Un scénario explique ce phénomène qui devrait se reproduire périodiquement s'il est exact.

Suite à la détection de GW150914, la première source ayant produit une onde gravitationnelle directement mise en évidence sur Terre grâce au Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (Ligo), les astrophysiciens ont été surpris. En effet, l'analyse du signal a montré que l'onde résultait d'une fusion de deux trous noirs formant un système binaire avec, en ce qui concerne les estimations les plus probables des masses des deux trous noirs, respectivement 29 et 36 masses solaires. Or, les rares trous noirs stellaires détectés ne dépassent pas les 15 masses solaires et l'on ne comprend donc pas très bien comment ces astres compacts ont pu se former.

Pour tenter de résoudre cette énigme, les chercheurs ont proposé divers scénarios. L'un d'entre eux fait intervenir un processus dit de fusion hiérarchique 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, comme l’avait expliqué à Futura le cosmologiste et astrophysicien Romain Teyssier, des étoiles et trous noirs vont avoir tendance à se concentrer.

Des captures de trous noirs autour d'un trou noir supermassif

En effet, dans le disque d'accrétion entourant le trou noir géant central, les forces de friction 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. Or, des calculs menés lors de simulations montrent qu'il existe alors un anneau situé à environ 300 fois le rayon de l'horizon des événements du trou noir central, qui devient le lieu d'une accumulation des trous noirs stellaires où ils se trouvent piégés. Ils vont avoir tendance à former par capture des trous noirs binaires qui vont, à leur tour, avoir tendance à fusionner pour donner des trous noirs plus massifs qui se captureront, etc. Au final, on se trouve devant l'équivalent des processus d'accrétion qui forment les planètes dans les disques protoplanétaires.

On ne peut s'empêcher de penser à ce scénario suite à la publication d'un article dans Physical Review Letters par une équipe internationale d'astrophysiciens et en libre accès sur arXiv. Il repose sur la détection des ondes gravitationnelles émises par la source S190521g, le 21 mai 2019, par Ligo et Virgo. L'analyse du signal montre là aussi qu'il s'agit d'une fusion de trous noirs, mais l'astre compact final battrait un record puisqu'on estime qu'il s'agirait d'un trou noir d'environ 150 masses solaires. Outre le fait qu'il est nécessairement le produit de deux trous noirs particulièrement massifs, il a été possible de localiser S190521g suffisamment bien pour que l'on puisse penser qu'il s'est produit aux abords du trou noir supermassif se manifestant sous la forme d'un quasar : J1249+3449. On est donc visiblement dans la situation où le scénario de croissance hiérarchique, précédemment évoqué, pourrait s'appliquer.

Une présentation du télescope Zwicky Transient Facility (ZTF) . Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © caltech

Cette localisation est d'autant plus intéressante qu'elle s'accompagnerait d'une contrepartie dans le domaine des ondes électromagnétiques. En effet, environ 35 jours après la détection de S190521g, des observations menées avec l'aide du télescope Zwicky Transient Facility (ZTF) géré par le célèbre Caltech, et situé au mythique Palomar Observatory près de San Diego, ont révélé une brusque variation de brillance du quasar qui a duré pendant environ 40 jours.

Des trous noirs qui traversent périodiquement un disque d'accrétion ?

Les astrophysiciens ont vérifié que cette éruption était atypique par sa puissance au regard de celles que l'on détecte depuis environ 15 ans en surveillant et étudiant J1249+3449. En fait, ce flash de lumière différent d'une explosion de supernova était précisément ce que recherchait Matthew Graham, astronome du Caltech et en charge du ZTF, avec ses collègues. Ils cherchaient en effet à tester un scénario dans lequel la fusion de deux trous noirs s'accompagne d'une émission d'ondes électromagnétiques conséquente, alors que ce ne devrait pas être le cas d'ordinaire, ces trous noirs ne possédant pas de charges électriques et n'étant pas entourés de matière.

Les astrophysiciens sont donc arrivés à l'explication suivante pour le flash du quasar postérieur de quelques dizaines de jours à la détection de S190521g et dont les deux localisations sur la voûte céleste sont proches.

On a donc tout d'abord, proche du trou noir supermassif central, un trou noir binaire avec deux corps déjà assez massifs et qui fusionnent en donnant un trou noir d'environ 150 masses solaires. Il en résulte une émission d'ondes gravitationnelles asymétriques qui aurait propulsé ce trou noir, un mécanisme modélisé de longue date.

Propulsé telle une fusée, le trou noir aurait fini par traverser le disque d'accrétion contenant une abondance de plasma du quasar J1249+3449. Ce faisant, les interactions entre le trou noir et le disque ont conduit à une brusque libération d'énergie dont les caractéristiques ne s'expliquent bien ni avec une éruption classique du quasar ni avec la destruction d'une étoile par le trou noir supermassif, selon le scénario des crêpes stellaires de Jean-Pierre Luminet et Brandon Carter, lequel aboutit à une supernova.

Si les chercheurs ont raison, le trou noir succédant à S190521g est maintenant sur une orbite autour du quasar qui va le conduire à retraverser son disque d'accrétion d'ici deux ans environ. Le ZTF devrait alors détecter une seconde éruption atypique de J1249+3449.

  • Les collisions de trous noirs ne doivent normalement pas s'accompagner d'un flash d'ondes électromagnétiques mais bien d'ondes gravitationnelles et d'un unique trou noir résultant. Toutefois, un tel flash a été observé, associé avec une source d'ondes détectée par Ligo et Virgo : S190521g.
  • Ce flash s'est produit aux abords du trou noir supermassif, responsable de l'existence d'un quasar : J1249+3449.
  • Ces observations accréditent un scénario dans lequel des trous noirs binaires se forment par capture autour d'un trou noir supermassif, fusionnent en donnant des trous noirs qui vont ensuite s'associer en paires avec des masses plus élevées.
  • Lors des fusions, une émission d'ondes gravitationnelles asymétriques pourrait alors propulser les nouveaux trous noirs à travers le disque d'accrétion du trou noir supermassif. L'interaction entre ces trous noirs et la matière du disque produisant alors un flash de lumière puissant mais transitoire.
  • Dans un tel scénario, le trou noir sur orbite repassera périodiquement à travers le disque.
Pour en savoir plus

Trous noirs stellaires : un flash de lumière trahirait leur naissance

Article de Laurent Sacco, publié le 21/05/2013

Les trous noirs stellaires se formeraient-ils véritablement sans supernovae préalables, sans même produire un signal réellement observable ? Pas du tout selon l'astrophysicien américain Tony Piro. D'après ses analyses, un flash de lumière visible assez puissant devrait pouvoir être détecté, notamment avec le futur Large Synoptic Survey Telescope (LSST).

On entend souvent dire que les trous noirs stellaires ne se forment qu'à l'occasion de l'explosion d'une étoile dépassant environ 20 masses solaires. L'observation d'une supernova, de type SN II dans ce cas-là, serait supposée signaler la naissance d'un tel astre compact. Or, les détails des mécanismes à l'œuvre lors de la naissance d'un trou noir stellaire étant encore mal compris, des astrophysiciens soupçonnaient qu'un tel lien de causalité n'était pas forcément systématique.

Pour ces scientifiques, si le processus d'effondrement gravitationnel des étoiles massives à l'origine des trous noirs commençait bien selon un scénario identique à celui conduisant à une SN II, la matière et la lumière de l'étoile mourante étaient si rapidement et si puissamment capturées par la formation du trou noir, qu'il valait mieux parler de « non-nova » (unnova en anglais). En d'autres termes, l'effondrement d'une étoile massive produirait directement un trou noir stellaire, sans passer par le stade de supernova.

On ne pouvait donc pas espérer assister à la formation d'un trou noir à partir de l'observation d'une SN II. Pour être plus précis, un tel événement ne serait possible que dans le cas des hypernovae conduisant à un sursaut gamma long. Mais comme celles-ci sont très rares dans une galaxie, le phénomène n'est pas facile à étudier directement.

Hartland Snyder a posé les bases de la théorie de la formation des trous noirs. Le chercheur a aussi été l’un des premiers à réfléchir à une géométrie non commutative de l'espace-temps en gravitation quantique, dans un article de 1947. © Brookhaven National Laboratory

La longue exploration de l'effondrement des étoiles

Rappelons que la théorie de l'effondrement gravitationnel qui conduit à la formation d'un trou noir a une longue histoire. Elle commence à la fin des années 1930 avec les travaux pionniers de Robert Oppenheimer et de son étudiant Hartland Snyder. À l'époque, personne ou presque, excepté le génial physicien russe Lev Landau, ne les prend au sérieux.

Tout va changer après la seconde guerre mondiale, avec le développement intensif des ordinateurs d'Alan Turing et John von Neumann, pour les besoins de la modélisation des explosions thermonucléaires. Que ce soit aux États-Unis ou en URSS, les concepteurs d'armes nucléaires se tournent alors vers la modélisation des explosions d'étoiles.

Les Américains Stirling Colgate et Richard White découvrent ainsi dans les années 1960 que l'effondrement d'une étoile suffisamment massive doit effectivement conduire à la formation d'un trou noir. Le phénomène est même censé être précédé de la formation temporaire d'une étoile à neutrons. Forcés de se combiner, du fait des extraordinaires pressions produites par l'effondrement gravitationnel, protons et électrons des atomes de l'étoile massive doivent donner lieu à la formation de neutrons, et surtout de neutrinos. Or, d'ordinaire très pénétrants à basses énergies, les neutrinos ne le sont plus quand ils sont portés à de hautes énergies.

Stirling Colgate a été l’un des pionniers de l'astrophysique numérique. Ses travaux les plus célèbres sont peut-être ceux sur l'effondrement des étoiles accompagnant les supernovae et la naissance des trous noirs stellaires. © University of Chicago

Les neutrinos et la formation des trous noirs stellaires

Dans le cas des supernovae SN II, l'un des scénarios expliquant l'explosion fait intervenir ce flux de neutrinos, qui soufflerait les couches supérieures de l'étoile. En 1980, Dmitry Nadezhin de l'Alikhanov Institute for Theoretical and Experimental Physics (Itep) en Russie, découvre que ce flux de neutrinos doit emporter une masse significative de l'étoile en train de s'effondrer, et modifier ainsi son champ de gravitation.

On savait déjà, depuis les travaux de Prahlad Chunilal Vaidya, que le rayonnement d'une étoile, fut-il sous forme de lumière, pouvait conduire à une modification notable de son champ de gravitation. Nadezhin lui, rajoute que dans le cas de la formation d'une étoile à neutrons, cette modification va conduire à la formation d'une onde de choc en direction de l'extérieur de l'étoile en cours d'effondrement. Intuitivement, cela se comprend en partie par le fait que l'affaiblissement temporaire du champ de gravitation facilite l'effet du souffle, conduisant ordinairement à l'explosion de l'étoile.

Image d'une simulation numérique moderne, de l’intérieur d’une étoile, quand l’effondrement du cœur se produit et occasionne une explosion en supernova. La protoétoile à neutrons est située dans le petit cercle blanc au centre. Les panaches sont composés de matière chaude, accompagnant l'onde de choc qui se propage dans l'étoile géante en train de devenir une supernova. © Max-Planck-Gesellschaft München, 2003-2007

Récemment, un groupe d'astrophysiciens américains de l'université de Californie à Santa Cruz avait entrepris de réactualiser les idées de Nadezhin à l'aide de simulations numériques. Il était arrivé à la conclusion que l'onde de choc devait produire un échauffement suffisant de la matière pour que la formation du trou noir s'accompagne d'un rayonnement un million de fois plus intense que la lumière du Soleil.

Un nouveau type de supernova ?

Selon ces astrophysiciens, ce rayonnement restait cependant trop faible pour que l'on puisse l'observer dans des galaxies proches de la Voie lactée. La naissance d'un trou noir stellaire, bien qu'accompagnée d'une supernova très faible restait donc, en pratique, similaire à une unnova pour ce qui est des possibilités d'observation.

Or, c'était sans compter sur Tony Piro. Nouveau rebondissement dans la théorie des trous noirs, cet astrophysicien du California Institute of Technology (Caltech) où enseignait Richard Feynman, vient lui aussi de déposer un article sur le même sujet. Sa nouvelle étude, publiée sur arxiv, remet partiellement en cause le travail de ses deux collègues, et particulièrement leur estimation du rayonnement émis. Selon lui, lorsque l'onde de choc atteint la surface de l'étoile en train de s'effondrer, le rayonnement serait en fait de 10 à 100 fois plus intense que ce que prévoyaient leurs simulations.

En outre, il s'agirait d'un flash bien observable dans l'ultraviolet et même dans le visible. Ce flash serait plus précisément une courbe de lumière similaire à celle des supernovae, mais dont le maximum durerait trois à dix jours. Actuellement, des campagnes d'observation dédiées à la détection de flashs de lumière comparables, comme l'intermediate Palomar Transient Factory (iPTF), pourraient même repérer un événement de ce genre chaque année. Selon le chercheur, si ses calculs sont corrects, la naissance des trous noirs stellaires dans les galaxies proches ne devrait pas échapper au futur Large Synoptic Survey Telescope (LSST). Plusieurs de ces événements cosmiques devraient ainsi être débusqués chaque année sur la voûte céleste.

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