La première détection des ondes gravitationnelles émises par la fusion de deux trous noirs a surpris les astrophysiciens. Pouvait-il s'agir de deux trous noirs nés dans une étoile en rotation rapide et en effondrement gravitationnel ? Une réponse a été donnée en calculant précisément le signal produit par ce scénario.
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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.

La détection des ondes gravitationnellesondes gravitationnelles produites par la collision de deux étoiles à neutronsétoiles à neutrons est certainement l'évènement scientifique marquant de cette année 2017. D'ailleurs, depuis le début du XXIe siècle, il n'y a probablement que la confirmation de l'existence du bosonboson de Brout-Englert-Higgs dont l'importance soit comparable dans le domaine des sciences physiquesphysiques.

Cette détection, ainsi que celle des ondes émises par la fusionfusion de deux trous noirstrous noirs constituant un système binairesystème binaire, est à l'origine du prix Nobel de physique 2017 et l'on peut penser qu'elle vaudra aussi un prix Nobel en 2018 à Alain Brillet et Thibault Damour, qui ont, eux, reçu la médaille d'or du CNRS pour leur contribution dans cette grande aventure (expérimentale pour le premier puisqu'il est l'un des architectes du détecteur européen d'ondes gravitationnelles VirgoVirgo, et théorique pour le second car il a joué un rôle clé dans la dérivation de la forme du signal recherché pour la fusion de deux trous noirs à partir des équationséquations de la théorie de la relativité générale d’Einstein, dont on a fêté la découverte il y a deux ans).

Nous ne sommes encore qu'au début de l'astronomie des ondes gravitationnelles et, pour progresser, les chercheurs doivent encore raffiner les modèles des sources de ces ondes pour exploiter les signaux que des détecteurs comme LigoLigo, Virgo, Kagra et, à l'horizon 2030, eLisa vont recevoir.


Le témoignage d'Alain Brillet, médaille d'or du CNRS 2017. © CNRS

Une collision de trous noirs accélérée par la friction de Chandrasekhar

Les chercheurs ont été surpris par les massesmasses du premier trou noir binaire détecté par Ligo, GW150914. Comme Futura l'expliquait dans un précédent article (voir ci-dessous), les théoriciens ont essayé d'expliquer d'où pouvait bien venir un tel monstre constitué de trous noirs dont chacune des masses était d'environ 30 fois celle du SoleilSoleil. L'astrophysicien Abraham Loeb a ainsi proposé que cela soit le résultat de l'effondrementeffondrement gravitationnel d'une étoileétoile très massive et en rotation très rapide. Le cœur de cet astreastre se serait alors divisé en deux du fait d'une instabilité mécanique bien connue avant que ces deux cœurs ne s'effondrent à leur tour, donnant deux trous noirs en orbiteorbite rapprochée et instable.

Mais il faut tester cette théorie. C'est ce qu'une équipe internationale de physiciensphysiciens des universités de Kyoto, Cambridge et du Caltech cherche à faire en calculant le signal bien spécifique des ondes gravitationnelles émises par ce phénomène à l'aide de surperodinateurs. Les résultats de ces simulations, qui pouvaient nécessiter plusieurs heures de calculs, ont été exposés dans un article disponible en ligne sur arXiv.

Selon l'un des membres de cette équipe, le physicien Joseph Fedrow, de l'Institut Yukawa de physique théorique de l'université de Kyoto, la comparaison des signaux calculés avec ceux observés par Ligo avec la fusion des trous noirs n'est pas favorable au modèle de Loeb. En effet, si les trous noirs naissaient bien dans un environnement dense, la force de frictionfriction dynamique de Chandrasekhar (à ne pas confondre avec une force de frottement classique) résultant des interactions gravitationnelles entre les trous noirs et le gazgaz de l'étoile dans lequel ils sont plongés accélérerait le processus de collision qui prendrait moins de temps que dans l'espace-vide. Les deux situations conduisent donc en fait à des signaux nets et différents. Au final, ceci exclut le scénario de fragmentation pour la formation de GW150914.


Ondes gravitationnelles : un trou noir binaire dans une étoile ?

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 06/03/2016

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 fissionfission du cœur d'une étoile géanteétoile 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 sursautsursaut gamma.

GW150914, tel est le nom de la première source d'ondes gravitationnelles détectée directement sur TerreTerre grâce au LaserLaser Interferometer Gravitational-wave Observatory (Ligo). Tout porteporte à croire qu'il s'agissait de la collision accompagnée d'une fusion de deux trous noirs stellairestrous 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 astrophysiciensastrophysiciens 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 supernovasupernova 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 accrétionaccrétion 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 ChandrasekharSubrahmanyan Chandrasekhar.

Figure de l’astrophysique théorique du XX<sup>e</sup> siècle, Subrahmanyan Chandrasekhar a laissé sa marque aussi bien dans la physique des étoiles que des galaxies et des trous noirs. © <em>University of Chicago</em>

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 ChandraChandra, 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, DarwinDarwin 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 astronomeastronome et mathématicien anglais, fils du célèbre biologiste britannique Charles DarwinCharles 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 matièrematière un peu à la façon de la formation de gouttesgouttes de liquideliquide issues de la séparationséparation 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 télescopetélescope 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 hypernovaehypernovae 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.