Les masses des trous noirs ayant produit les ondes gravitationnelles détectées par Ligo et Virgo sont parfois anormalement élevées eu égard aux modèles de formation classique des trous noirs binaires. D'autres scénarios sont envisagés dont un faisant intervenir les trous noirs supermassifs.

Il existe une énigme persistante depuis la détection de GW150914, la première source ayant produit une onde gravitationnelle directement mise en évidence sur TerreTerre grâce au Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LigoLigo). L'analyse du signal a montré que l'onde résultait de la collision accompagnée d'une fusionfusion de deux trous noirstrous noirs formant un système binairesystème binaire avec, en ce qui concerne les estimations les plus probables des massesmasses des deux trous noirs, respectivement 29 et 36 masses solaires. Or, les rares trous noirs stellairestrous noirs stellaires détectés ne dépassent pas les 15 masses solaires et l'on ne comprend donc pas très bien comment ces astresastres compacts ont pu se former.

Au début, seulement deux théories ont été proposées comme explications les plus plausibles par les astrophysiciensastrophysiciens. La plus classique faisait intervenir un système double de géantes bleues destinées à exploser chacune en supernovasupernova SN II, puis à laisser comme cadavres des trous noirs. Peut-être que la particularité de ce système, une fois bien comprise, permettra-t-elle un jour d'expliquer pourquoi l'explosion accompagnant l'effondrementeffondrement gravitationnel peut tout de même laisser des objets compacts de plusieurs dizaines de masses solaires. L'autre théorie faisait intervenir des trous noirs stellaires solitaires, dans un environnement dense en étoilesétoiles et riche en gazgaz, qui auraient pu croître par accrétionaccrétion avant de se capturer l'un l'autre pour former un système binaire. Mais aucune n'étant vraiment satisfaisante à ce jour, les spéculations ont continué.

D'autres hypothèses ont donc depuis été proposées alors que l'énigme devenait plus importante, notamment avec la source détectée le 29 juillet 2017, GW170729. La fusion des trous noirs qui l'a causée s'est produite à environ 5 milliards d'années-lumièreannées-lumière et les masses des deux astres compacts initiaux devaient être d'environ 50,6 et 34,3 masses solaires, produisant un trou noir final d'à peu près 80 masses solaires avec approximativement cinq masses solaires qui ont donc été converties en rayonnement gravitationnel pur en une fraction de seconde.


Des simulations numériques montrant les 10 fusions de trous noirs détectées par Ligo et Virgo. © Teresita Ramirez, Geoffrey Lovelace, SXS Collaboration, Ligo Virgo Collaboration.

Un scénario testable

L’un des derniers scénarios en date fait intervenir un processus dit de fusion hiérarchique dans le disque d'accrétiondisque d'accrétion d'un trou noir supermassif au cœur des galaxiesgalaxies, plus précisément lorsque l'on est en présence d'un noyau actif de galaxiesnoyau actif de galaxies. Dans ce type de noyaux alimentés en gaz très souvent par des filaments de matière froide, des étoiles et trous noirs vont avoir tendance à se concentrer.

Dans le disque d'accrétion entourant le trou noir géant central, les forces de frictionsfrictions 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.

Des calculs menés lors de simulations montrent alors qu'un anneau situé à environ 300 fois le rayon de l'horizon des événementshorizon des événements du trou noir central est le lieu d'une accumulation des trous noirs stellaires où ils se trouvent piégés. Ils vont avoir tendance à fusionner pour donner par accrétion -- un peu comme les planètes se sont formées dans les disques protoplanétairesdisques protoplanétaires -- des trous noirs avec des masses plus grandes que celles ordinairement obtenues par effondrement gravitationnel d'étoiles géantesétoiles géantes dans des systèmes binairesbinaires.

Mais comment tester cette hypothèse ? Il faudra attendre pour cela que Ligo, VirgoVirgo et les autres détecteurs d'ondes gravitationnellesondes gravitationnelles, comme Kagra, accumulent de la statistique comme les physiciensphysiciens disent dans leur jargon. En clair, il faut détecter un grand nombre de fusion de trous noirs en déterminant leurs masses et aussi leur moment cinétiquemoment cinétique.

En effet, les simulations prédisent que l'on devrait voir de nombreux trous noirs contenant plus de 50 masses solaires, avec quelques uns pouvant atteindre 80 masses solaires, dans les collisions de trous noirs binaires. Surtout, du fait d'interaction avec le disque d'accrétion des trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs, les moments cinétiques des trous noirs destinés à fusionner devraient être antiparallèles au moment cinétique orbital des deux astres avant collision.