Une vue d'artiste de deux trous noirs formant un système binaire. © Aurore Simonnet
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Des trous noirs éjectés de galaxies par des ondes gravitationnelles détectables par Ligo et Virgo

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[EN VIDÉO] Un trou noir pourrait-il entrer en collision avec la Terre ?  Un trou noir est une région de l’espace dont rien ne peut s'échapper, pas même la lumière. Il est donc naturel de se demander si ce type d’objet pourrait être une menace pour notre planète. Futura-Sciences a interviewé Jean-Pierre Luminet, astrophysicien de renom, qui nous répond ici en vidéo. 

Les ondes gravitationnelles peuvent transporter de la quantité de mouvement comme la matière. Lors de collision de trous noirs, le trou noir produit peut se retrouver propulsé par ces ondes comme le serait une fusée émettant des gaz. Les détecteurs Ligo et Virgo devraient permettre d'observer ce phénomène indirectement et de prédire si le trou noir va être éjecté de sa galaxie hôte.

Il existe un théorème mathématique qui dit que tous les déplacements d'objets dans l'espace conservant leur forme, donc sans les déformer, sont des compositions de translation et de rotation. Un autre théorème relie l'invariance des lois de la mécanique par des translations et des rotations à la conservation de deux quantités fondamentales en physique, la quantité de mouvement et le moment cinétique. C'est le fameux théorème d'Emmy Noether qui est intimement lié à la notion de symétrie et de groupe en mathématique.

La conservation de la quantité de mouvement s'observe en jouant au billard, par le fait que le mouvement d'une boule entrant en collision avec une autre boule au repos entraîne son mouvement d'autant plus rapidement que la première se déplaçait à grande vitesse. La conservation du moment cinétique s'observe, elle, avec une patineuse qui tourne sur elle-même plus vite en rapprochant les bras de son corps et inversement.

Il se trouve que ces lois établies d'abord pour des corps matériels sont tout aussi valables pour les champs de forces qui agissent dessus, de sorte que pour assurer la conservation totale des quantités de mouvement et de moment cinétique, il doit exister des quantités de mouvement et de moment cinétique pour des champs électromagnétiques et de gravitation. La lumière et les ondes gravitationnelles transportent donc de la quantité de mouvement et du moment cinétique qu'elles peuvent prendre ou donner à des corps.

Cela a une conséquence intéressante lorsque l'on considère un trou noir binaire formé de deux trous noirs de masses différentes, éventuellement en rotation ou pas (dans la nature, on s'attend à ce que tous les trous noirs stellaires soient en rotation puisque issus d'étoiles qui le sont toujours également).

On sait que ces trous noirs rayonnent des ondes gravitationnelles et perdent de cette façon de l'énergie, de sorte que la taille de leur orbite diminue et qu'ils finiront inévitablement par entrer en collision. Les ondes gravitationnelles émises emportent donc également du moment cinétique mais il se trouve que lorsque les masses des trous noirs sont différentes, l'émission d'ondes gravitationnelles ne se fait pas à symétrie sphérique, comme le disent les physiciens dans leur jargon, de sorte qu'il y a une émission plus intense dans une certaine direction.

Cette simulation de Vijay Varma, College of Arts & Sciences Klarman Fellow, montre la fusion d'un trou noir de 35 masses solaires avec un trou noir de 25 masses solaires, suivi du recul du trou noir final. Le film est accéléré après la fusion pour mettre en évidence ce recul. Les flèches indiquent les spins (rotation) des trous noirs – ceux-ci interagissent avec le moment angulaire orbital (flèche rose), ce qui fait osciller le plan orbital à mesure que le binaire évolue. Les orbes bleus et rouges indiquent les types d'ondes gravitationnelles générées lors de la collision. © Cornell Arts and Sciences

Des trous noirs propulsés à 5.000 km/s

Les calculs et surtout les simulations numériques montrent alors qu'au moment final de la collision tout se passe comme si le trou noir binaire émettait un faisceau d'ondes gravitationnelles, emportant de la quantité de mouvement de façon analogue à l'éjection de gaz par une fusée. Le trou noir final peut donc se retrouver propulsé dans la direction opposée, de sorte que sa quantité de mouvement soit en relation avec celle emportée par les ondes et que la conservation de la somme totale des quantités de mouvement soit assurée.

Les calculs montrent également que dans certains cas, la vitesse acquise par le trou noir résultant peut être vertigineuse, de l'ordre de 5.000 km/s, ce qui est largement suffisant pour lui permettre de quitter la galaxie qui l'abritait dans la majorité des cas. Futura avait d'ailleurs rendu compte, dans les précédents articles ci-dessous, de l'observation de plusieurs trous noirs supermassifs qui semblent bel et bien victimes de ce phénomène.

Aujourd'hui, un groupe d'astrophysiciens états-uniens, Vijay Varma du Caltech, et Maximiliano Isi et Sylvia Biscoveanu du MIT, a publié un article dans Physical Review Letters, également disponible sur arXiv, dans lequel il explique qu'il est possible d'extraire du signal des ondes gravitationnelles, détectées par Ligo et Virgo, l'occurrence de ce phénomène. Il devrait donc être possible de dire si le trou noir résultant de la fusion de deux trous noirs observée par ces deux détecteurs va ou non quitter la galaxie qui l'héberge.

Pour être précis, Ligo et Virgo ne sont pas encore assez sensibles pour cela mais ils sont constamment améliorés et devraient bientôt l'être d'après les chercheurs qui se sont basés pour atteindre cette prédiction sur les simulations de fusions de trous noirs sur superodinateur, effectuées par les membres de la collaboration Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) menée par Saul Teukolsky.

Le célèbre astrophysicien relativiste pionnier de la simulation numérique des trous noirs commente d'ailleurs ce résultat en ces termes : « Cette recherche montre comment les signaux d'ondes gravitationnelles peuvent être utilisés pour en savoir plus sur les phénomènes astrophysiques d'une manière inattendue. On pensait qu'il faudrait attendre plus d'une décennie pour que les détecteurs soient suffisamment sensibles pour faire ce genre de travail, mais cette recherche montre que nous pouvons en fait le faire maintenant - c'est très excitant ! ».

Saul A. Teukolsky (1947-) est un astrophysicien relativiste d’origine sud-africaine spécialisé dans la résolution numérique des équations d’Einstein appliquée à la physique des trous noirs et des étoiles à neutrons, notamment avec le phénomène d’émission des ondes gravitationnelles dont il modélise les formes pour la détection avec des instruments comme Ligo et Virgo. Il est aussi connu pour ses travaux sur les perturbations de la solution de Kerr pour les trous noirs en rotation, alors qu’il passait sa thèse sous la direction du prix Nobel de physique Kip Thorne. © 2019 Cornell University
  • Lors d'une fusion de deux trous noirs supermassifs, une sorte de faisceau d'ondes gravitationnelles transportant de la quantité de mouvement, et dont la puissance équivaut à celle de l'explosion de 100 millions de supernovae, peut être émise. En réaction, le trou noir résultant foncerait à plusieurs milliers de kilomètres pas seconde à travers sa galaxie hôte telle une fusée.
  • On a observé des astres qui semblent bien avoir subi ce phénomène.
  • Le même résultat peut être obtenu avec des collisions de trous noirs stellaires. On pense maintenant que les détecteurs Ligo et Virgo devraient permettre d'observer ce phénomène indirectement et de prédire si le trou noir résultant de la fusion des deux précédents va être éjecté de sa galaxie hôte.
Pour en savoir plus

Un trou noir supermassif éjecté de sa galaxie par des ondes gravitationnelles ?

Article de Laurent Sacco publié le 27/03/2017

Lors d'une fusion de deux trous noirs supermassifs, une sorte de faisceau d'ondes gravitationnelles dont la puissance équivaut à celle de l'explosion de 100 millions de supernovae aurait été émis. En réaction, le trou noir résultant foncerait maintenant à 2.000 km/s à travers sa galaxie hôte.

3C 186 est un quasar situé à environ 8 milliards d'années-lumière de la Voie lactée. Comme tous les quasars, il s'agit très probablement d'un trou noir supermassif en rotation accrétant d'importantes quantités de gaz. Dans le cas présent, il semble contenir environ un milliard de masses solaires. Comme pour tous les trous noirs supermassifs, on ne sait pas vraiment comment il est né.

Ce qui semble probable, en revanche, c'est qu'il résulte de plusieurs coalescences de trous noirs massifs lorsque les premières galaxies entraient plus fréquemment en collision que de nos jours, ce qui conduisait à des fusions bien plus fréquentes.

Une vidéo sur la découverte de 3C 186. 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 ». © Nasa Goddard

Le quasar s'échappe à 0,5 % de la vitesse de la lumière

Jusque-là, rien d'anormal. Mais comme l'explique un groupe d'astrophysiciens dans un article disponible sur arXiv, 3C 186 apparaît singulier dans les observations combinées de Chandra, en rayons X, et de Hubble, dans le visible et l'infrarouge. En effet, non seulement le quasar n'occupe pas la région centrale de sa galaxie hôte mais il semble de plus foncer à travers elle à une vitesse telle qu'il devrait finir par la quitter.

L'explication la plus naturelle de ce phénomène, théorisée depuis longtemps par les spécialistes de l'astrophysique relativiste est que, lors de la dernière fusion de trous noirs supermassifs à l'origine de 3C 186, une intense émission d'ondes gravitationnelles l'aurait propulsé sur une orbite hyperbolique qui va le conduire dans l'espace intergalactique, à l'intérieur d'un amas de galaxie.

Comme nous l'expliquions dans l'article ci-dessous, ce n'est pas la première fois que des signaux astrophysiques suggèrent la présence d'un trou noir supermassif en cours d'éjection d'une galaxie en raison d'une forte émission asymétrique d'ondes gravitationnelles. Ce genre de phénomène peut se produire lorsque fusionnent deux trous noirs ayant des masses et des moments cinétiques différents. On sait calculer, au moins dans les grandes lignes, ce qui se produit alors et il est possible d'espérer des vérifications directes avec l'observation de fusions de trous noirs supermassifs quand la mission eLisa sera opérationnelle.

3C 186 en quatre étapes. 1- Deux galaxies débutent leur fusion. 2 et 3- Les trous noirs supermassifs de ces galaxies se rapprochent de plus en plus en émettant des ondes gravitationnelles puis ils fusionnent. Si les trous noirs sont différents, il peut, mais c'est rare, se produire une émission asymétrique d'ondes gravitationnelles qui va propulser le trou noir final comme le ferait l'éjection de gaz par une fusée. 4- Le trou noir résultant emporte du gaz avec lui en fonçant dans la galaxie née de la fusion des deux précédentes galaxies et il se comporte comme un quasar. © Nasa, Esa, A. Feild (STScI)

Dans le cas présent toutefois, et selon les astrophysiciens, les observations concernant 3C 186 sont de loin les plus solides et les plus convaincantes concernant l'effet de propulsion d'un trou noir par des ondes gravitationnelles. Cela provient du fait que le quasar a pu être observé dans une grande plage de longueurs d'onde, y compris dans le domaine des ultraviolets

L'analyse de ces observations laisse penser que 3C 186 est à 35.000 années-lumière du centre de sa galaxie hôte et qu'il possède une vitesse telle qu'il pourrait parcourir l'équivalent de la distance de la Terre à la Lune en environ 3 minutes, ce qui correspond en gros à une célérité de l'ordre de 0,5 % de la vitesse de la lumière. Ce n'est pas à proprement parler une vitesse relativiste mais c'est largement suffisant pour que le quasar puisse un jour se libérer de l'attraction de sa galaxie. Il devrait la quitter dans environ 20 millions d'années.


Cette image d'un champ de galaxies a été prise à l'aide du télescope CFHT dans le visible. Sur la droite, des zooms montrent dans le domaine des rayons X et dans le visible la galaxie contenant CID-42. © Rayon X : Nasa/CXC/SAO/F. Civano et al. ; visible : CFHT, Nasa/STScI

Des trous noirs supermassifs... nomades !

Article de Laurent Sacco publié le 12/06/2012

En analysant dans le visible et dans le domaine des rayons X un étrange objet baptisé CID-42, un groupe d'astrophysiciens est parvenu à une hypothèse spectaculaire. Il pourrait s'agir d'un trou noir supermassif en train de quitter sa galaxie, propulsé par une émission d'ondes gravitationnelles. Si cette théorie est juste, il pourrait donc exister de tels trous noirs nomades entre les galaxies.

Arthur Eddington et Albert Einstein pensaient que l'effondrement gravitationnel d'une étoile devait forcément s'arrêter avant d'atteindre une singularité de densité infinie. Einstein lui-même croyait avoir démontré qu'un amas globulaire d'étoiles ne pouvait pas s'effondrer en devenant plus petit qu'une sphère dont le rayon est donné par la fameuse formule de Schwarzschild.

En langage moderne, Einstein et Eddington pensaient que des trous noirs ne pouvaient pas se former dans l'univers et qu'il s'agissait de simples curiosités mathématiques des équations de la relativité générale, sans application physique au cosmos observable. Chandrasekhar et Oppenheimer étaient d'un avis différent et l'histoire finira par leur donner raison.

Les trous noirs sont parmi les objets les plus opaques de l'univers. Heureusement, ils sont en revanche parmi les plus attractifs, et c'est par leur pouvoir d'attraction démesuré que nous pouvons les détecter. Les trous noirs géants sont les ogres les plus monstrueux du zoo cosmique, mais ils ne sont pas des armes de destruction massive. Les jets de matière qu'ils éjectent auraient contribué à allumer les premières étoiles et à former les premières galaxies. © Groupe ECP, www.dubigbangauvivant.com/Youtube

Aujourd'hui, on observe des trous noirs partout, notamment sous forme de quasars. On sait même qu'il y en a un au centre de la Voie lactée et qu'il s'apprête à dévorer un nuage de gaz. C'est un exemple de trou noir supermassif. On ne sait pas exactement comment ils se forment, bien qu'on ait de bonnes raisons de penser qu'ils grossissent à l'occasion de collisions galactiques comme celle qui devrait se produire dans quelques milliards d'années entre la galaxie d'Andromède et la Voie lactée.

Des fusions de trous noirs supermassifs

Les deux trous noirs supermassifs qu'elles contiennent devraient former pendant un temps un trou noir binaire tout en spiralant l'une vers l'autre avant de fusionner. La collision s'accompagnera de déformations violentes de la surface de leurs horizons. Le trou noir final se débarrassera des bosselures de son horizon en vibrant, ce qui provoquera l'émission d'ondes gravitationnelles lissant son potentiel de gravitation extérieur. Ayant atteint un état stationnaire, il n'y aura plus alors qu'un seul trou noir de Kerr en rotation.

Observée dans le visible par Hubble, la galaxie présentant une source brillante en rayons X se révèle contenir deux zones brillantes comme si elle était formée de deux noyaux. Des observations plus précises de Chandra ont permis de découvrir que seule la région brillante dans le visible à gauche de la seconde était la source intense de rayons X. © Nasa

Il y a environ 5 ans, des astrophysiciens s'occupant de relativité numérique avaient simulé une telle fusion entre trous noirs, découvrant que si l'émission était asymétrique, l'impulsion emportée par ces ondes gravitationnelles pouvait accélérer l'astre compact final au point de lui faire dépasser la vitesse de libération d'une galaxie. Il ne s'agissait pour le moment que de spéculations, certes bien étayées, d'astrophysique relativiste. Mais une série d'articles publiés sur arxiv laisse entendre que la réalité pourrait bien être, une fois de plus, à la hauteur des équations de la relativité générale.

Des astronomes ont en effet observé dans le domaine des rayons X avec Chandra, ainsi que dans le visible avec Hubble et d'autres télescopes, l'objet baptisé CID-42. Il se trouve dans une galaxie située à environ 4 milliards d'années-lumière de la Voie lactée et qui fait partie de la région de la voûte céleste étudiée dans le cadre du Cosmic Evolution Survey (Cosmos).

Une simulation montrant la collision de deux galaxies spirales avec fusion de leurs trous noirs centraux et éjection du trou noir supermassif résultant. © Laura Blecha/YouTube

Hubble avait indiqué la présence d'une galaxie possédant deux sources lumineuses compactes particulièrement brillantes et des mesures plus précises à l'aide des télescopes du VLT et de Magellan avaient montré que ces deux sources semblaient s'éloigner l'une de l'autre à environ 5 millions de km/h voire plus.

Des trous noirs nomades intergalactiques

Chandra de son côté avait permis de découvrir qu'une intense source de rayons X, CID-42, était associée à une seule des sources lumineuses précédentes. Curieusement, il ne s'agissait pas de celle associée au noyau de la galaxie.

Selon les chercheurs, s'appuyant en plus sur une simulation numérique, le scénario le plus probable pour expliquer ces observations serait bel et bien celui d'une collision galactique ayant produit un trou noir supermassif en train de quitter son lieu de naissance. Propulsé initialement par une émission asymétrique d'onde gravitationnelle à la façon d'une sonde ayant éjecté des gaz, il finira par s'aventurer dans l'espace intergalactique. La seconde source lumineuse brillante serait seulement le bulbe central de la nouvelle galaxie, alors que la source brillant en rayons X serait donc le nouveau trou noir supermassif en train d'accréter de grandes quantités de matière.

Si tel est le cas, il faut probablement en conclure que de la même façon que l'on sait qu'il existe des étoiles et des planètes nomades dans une galaxie, il doit y avoir quelques trous noirs supermassifs nomades invisibles ou presque entre les galaxies dans des amas.

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