Illustration de VFTS 532, le système d’étoiles doubles le plus chaud et le plus massif connu à ce jour. La binaire de contact KIC 9832227, proche du baiser ultime, doit certainement avoir cette apparence de cacahuète. © ESO, L. Calçada
Sciences

On a simulé la première collision de deux étoiles géantes donnant un trou noir

ActualitéClassé sous :Astronomie , ondes gravitationnelles , DEMOBLACK

[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. 

Avant la détection des ondes gravitationnelles produites par la fusion de trous noirs, ceux qui étaient connus dans des systèmes binaires contenaient moins de 15 masses solaires. Pour expliquer l'existence des trous noirs de plusieurs dizaines de masses solaires découverts ensuite, des simulations numériques ont été menées calculant pour la première fois ce qui advient suite à la collision d'étoiles massives. Il s'agirait de trous noirs dont certains peuvent expliquer l'énigme des masses anormalement élevées des trous noirs découverts avec Ligo et Virgo.

Les premiers candidats au titre de trou noir, c'est-à-dire des objets tellement compacts qu'ils forment une région close de l'espace-temps se comportant comme une membrane que l'on ne peut  traverser que dans un seul sens, de l'extérieur vers l'intérieur car pour échapper à cette bulle il faudrait pouvoir dépasser la vitesse de la lumière, l'ont été par leurs émissions de rayons X.

En effet, dans ce cas, l'astre compact fait partie d'un système binaire avec une étoile d'où s'écoule du gaz arraché par les forces de marée du trou noir. Gaz qui en tombant en spirale vers le trou noir forme un disque d'accrétion avec des forces de frottement visqueux entre les anneaux du disque qui libèrent tellement de chaleur que la matière devient un plasma chaud et ionisé, apte à émettre des flots de rayons X.

On peut estimer les masses de ces trous noirs faisant partie d'étoiles binaires X, comme on les appelle, et elles sont très majoritairement comprises entre 5 et 15 masses solaires. C'est assez conforme avec les scénarios et modèles de formation des trous noirs stellaires à l'occasion de l'effondrement gravitationnel d'une étoile d'au moins 30 masses solaires environ qui explose à ce moment-là en supernovae SN II.

Grande fut donc la surprise lorsque la première détection directe sur Terre de l'onde gravitationnelle de la fusion de trous noirs dans un système binaire, en 2015, a montré que les trous noirs avant la collision avaient chacun une masse d'environ 30 masses solaires. Après le cas de la source GW150914, le cas de la source GW190521 le 21 mai 2019 s'est révélé encore plus stupéfiant puisque les analyses du signal détecté avec Ligo et Virgo montraient qu'une fusion s'était produite entre deux trous noirs respectivement de 85 et 66 masses solaires environ, produisant un nouveau trou noir d'environ 140 masses solaires (les masses manquantes sont parties sous forme d'énergie dans le rayonnement gravitationnel de la fusion).

Jean-Pierre Luminet, directeur de recherche au CNRS et Françoise Combes, professeur au Collège de France, nous parlent des trous noirs. © Fondation Hugot du Collège de France

Les astrophysiciens relativistes ont donc cherché des explications à l'existence de ces trous noirs et plusieurs scénarios possibles, nullement exclusifs ont commencé à être élaborés. L'un d'eux a fait l'objet de savantes simulations sur ordinateur par l'équipe de la collaboration Demoblack (acronyme de « The demography of black hole binaries in the era of gravitational wave astronomy », c'est-à-dire La démographie des binaires de trous noirs à l'ère de l'astronomie des ondes gravitationnelles) de l'université de Padoue en Italie.

Menés par l'astrophysicienne Michela Mapelli, les résultats obtenus par les chercheurs du groupe ont été récemment exposés dans un meeting de l'American Physical Society.

Voici le scénario exploré.

Des collisions et des captures d'étoiles dans les amas ouverts

En général, dans une galaxie comme la Voie lactée, la densité du fluide autogravitant d'étoiles est si basse qu'une description par la théorie cinétique des gaz avec la fameuse équation de Boltzmann, qui décrit leur comportement, ne fait pas intervenir de terme de collision. En clair, les étoiles n’ont quasiment aucune chance d’entrer en collision.

Mais il n'en est pas de même dans les amas ouverts de jeunes étoiles qui se forment par effondrement d'un grand nuage moléculaire froid. Certes, ces amas ne sont pas vraiment liés par leur propre gravité et les forces de marée exercées par la matière des disques dans lesquels ils se trouvent vont les dissocier en quelques dizaines de millions d'années tout au plus en général. Mais cela suffit pour que des paires d'étoiles se forment avec des collisions.

De jeunes étoiles massives brûlant leur carburant avant d'exploser en supernovae en quelques millions d'années se forment dans ces amas ouverts et il est donc possible d'avoir des collisions suivies de fusion. Les travaux de Michela Mapelli et ses collègues ont concerné des fusions de ces étoiles avec des masses de 40-60 masses solaires pour la première fois dans ces amas ouverts et ils montrent qu'effectivement des trous noirs stellaires de plusieurs dizaines de masses solaires peuvent apparaître.

Surtout, toujours parce que les amas restent denses suffisamment longtemps, des paires de ces trous noirs massifs peuvent se former et entrer en collision en perdant de l'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles, ce qui conduit les distances entre les composantes des paires à diminuer, donnant alors un trou noir encore plus massif qui à son tour... 

Michela Mapelli explique la problématique de la formation des trous noirs binaires détectés avec les ondes gravitationnelles. 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 ». © Institute for Pure & Applied Mathematics (IPAM)

Ce scénario de croissance hiérarchique apparaît donc comme possible. Selon Mapelli, ces collisions stellaires peuvent créer in fine des trous noirs binaires d'une masse supérieure à 40 soleils. Des collisions et des fusions répétées pourraient ensuite produire des trous noirs de masse beaucoup plus élevée, allant d'environ 100 à 10.000 fois la masse du soleil.

« Nous ne sommes pas sûrs que ces collisions soient la seule explication possible pour un événement comme GW190521. Ces simulations ne rejettent pas les autres », précise cependant Michela Mapelli.

En effet, on a par exemple proposé que ce type de trou noir binaire soit un produit de la capture mutuelle de membres d'une importante population de trous noirs primordiaux formés pendant le Big Bang et qui pourraient rendre compte de la nature de la matière noire.

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