Première image d'un trou noir prise en utilisant un réseau de télescopes du projet Event Horizon Telescope. © EHT
Sciences

La croissance des trous noirs est-elle liée à l'expansion de l'Univers ?

ActualitéClassé sous :Espace , Univers , trous noirs

-

[EN VIDÉO] Que se passerait-il si vous tombiez dans un trou noir ?  Les profondeurs des trous noirs sont des espaces de mystère et de fantasme, mais cela ne signifie pas que nous ne pouvons pas les approcher de manière scientifique. Voyageons donc ensemble aux frontières de la réalité telle que nous la connaissons. 

Il y a six ans, les scientifiques détectaient des ondes gravitationnelles produites par la fusion de deux trous noirs. En plus de vérifier une prédiction majeure et longtemps débattue de la théorie de la gravité d'Albert Einstein, cette détection serait la première preuve directe de l'existence des trous noirs. Depuis, les observatoires d'ondes gravitationnelles ont détecté plusieurs fusions de trous noirs, mais les astronomes font face à un problème : une grande partie de ces trous noirs est de taille inattendue. Une équipe de chercheurs propose un modèle selon lequel les trous noirs grandiraient avec l'expansion de l'Univers.

Un trou noir est un corps céleste tellement compact que l'intensité de son champ gravitationnel empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s'en échapper : ainsi, ces objets ne peuvent émettre ou diffuser de lumière, les rendant optiquement invisibles. Les trous noirs ne sont donc détectables que par les effets de leurs champs gravitationnels, mais en 2015, l'observation « directe » de trou noir a été réalisée grâce à la première observation directe d'ondes gravitationnelles.

Les ondes gravitationnelles, dont l'existence a été prédite par Albert Einstein en 1916, et confirmée 100 ans plus tard, sont des oscillations de la courbure de l’espace-temps qui se propagent à partir de leur point d'origine. Ce type de courbure peut survenir lors du déplacement d'objets très massifs dans l'espace, produisant une perturbation de l'espace-temps qui s'étendrait de manière analogue à des vagues à la surface de l'eau. C'est grâce à l'Observatoire d'ondes gravitationnelles par interférométrie laser (Ligo) que la première observation directe d'ondes gravitationnelles est réalisée en 2015, et confirmée en 2016. 

Représentation des ondes gravitationnelles produites par la fusion de deux trous noirs. © Nasa

La taille des trous noirs observés dépasse les prévisions

Depuis la première observation de coalescence (fusion) de trous noirs en 2015 par Ligo, les astronomes ont été à plusieurs reprises surpris par leurs grandes masses : les physiciens s'attendaient à l'origine à ce que les trous noirs stellaires aient des masses inférieures à environ 40 fois celle du Soleil, mais l'observatoire Ligo a cependant détecté de nombreux trous noirs parfois aussi massifs que 100 soleils. De nombreux scénarios ont été proposés pour expliquer la formation de trous noirs aussi massifs, mais aucun n'a été en mesure d'expliquer la grande diversité des masses des trous noirs observés. Cette nouvelle étude, menée par une équipe regroupant des chercheurs de l'université d'Hawaï, de l'université de Chicago et de l'université du Michigan, est la première à suggérer que la formation de trous noirs de faibles ou fortes masses puisse résulter d'un seul phénomène, dans lequel les trous noirs gagneraient de la masse à partir de l'expansion de l'Univers.

Habituellement, les astronomes modélisent les trous noirs dans un Univers sans expansion : c'est une supposition raisonnable qui permet une bonne simplification de l'équation d'Einstein. Mais pour étudier leur hypothèse, les astronomes de l'étude ont pris en compte l'expansion de l'Univers au cours du temps. Dans son nouveau modèle, l'équipe de chercheurs a simulé la naissance, la vie et la mort de millions de paires de grandes étoiles. Au moment où les étoiles meurent pour former des trous noirs, la paire est liée à la taille de l'Univers : entre la formation de trous noirs et leur fusion éventuelle, l'Univers pourrait grandir énormément. Dans leur modèle, à mesure que l'Univers continuait de croître, les chercheurs ont observé que la masse de ces trous noirs augmentait au fur et à mesure qu'ils spiralaient l'un vers l'autre. Il en résulte alors non seulement des trous noirs plus massifs lors de la fusion, mais également un nombre de fusions bien plus important. La comparaison entre leurs prédictions et les observations Ligo semble de plus satisfaisante.  

Cette visualisation montre les ondes gravitationnelles émises par deux trous noirs de masse presque égale alors qu’ils tournent en spirale et fusionnent. © Nasa

Michael Zevin, coauteur de la recherche, tient tout de même à souligner que ce modèle est encore à prendre avec précautions : « Bien que nous ayons utilisé une population stellaire simulée qui reflète les données que nous avons actuellement, il y a beaucoup de marge de manœuvre. » À mesure que les observatoires d'ondes gravitationnelles gagneront en sensibilité, la quantité et la qualité accrues des données recueillies pourront permettre une étude plus approfondie de cette hypothèse. 

---

Futura dans les Étoiles, c'est le rendez-vous incontournable des amateurs d'astronomie et d'espace. Tous les 1ers du mois, retrouvez-nous pour un tour complet des éphémérides du mois, avec des conseils pour observer au mieux ce qu'il se passe dans le ciel. Un épisode spécial publié tous les 15 du mois vous proposera d'en apprendre plus sur un objet ou un événement particulier qui marquera l'actualité astronomique et spatiale.

---

Abonnez-vous à la lettre d'information La quotidienne : nos dernières actualités du jour. Toutes nos lettres d’information

!

Merci pour votre inscription.
Heureux de vous compter parmi nos lecteurs !