Simulation d'un disque d'accrétion entourant un trou noir supermassif. © Scott C. Noble

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Fin du mystère des trous noirs trop massifs pour exister ?

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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.

Interview : comment mesurer les ondes gravitationnelles ?  Les ondes gravitationnelles sont des déformations de l’espace-temps prédites par Einstein. Il serait possible de les mesurer avec des outils appropriés. L’éditeur littéraire Dunod a interviewé Pierre Binétruy, professeur au laboratoire Astroparticule et Cosmologie de l'université Paris Diderot, afin d’en savoir plus sur ces mystérieuses ondes et sur la façon dont on pourrait les détecter. 

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

Au début, seulement deux théories ont été proposées comme explications les plus plausibles par les astrophysiciens. La plus classique faisait intervenir un système double de géantes bleues destinées à exploser chacune en supernova 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'effondrement 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 étoiles et riche en gaz, qui auraient pu croître par accrétion 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-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'accrétion d'un trou noir supermassif au cœur des galaxies, plus précisément lorsque l'on est en présence d'un noyau 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 frictions 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 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 protoplanétaires -- des trous noirs avec des masses plus grandes que celles ordinairement obtenues par effondrement gravitationnel d'étoiles géantes dans des systèmes binaires.

Mais comment tester cette hypothèse ? Il faudra attendre pour cela que Ligo, Virgo et les autres détecteurs d'ondes gravitationnelles, comme Kagra, accumulent de la statistique comme les physiciens 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 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 supermassifs, les moments cinétiques des trous noirs destinés à fusionner devraient être antiparallèles au moment cinétique orbital des deux astres avant collision.

  • Les masses des trous noirs ayant produit les ondes gravitationnelles détectées par Ligo et Virgo sont anormalement élevées eu égard aux modèles de formation classique des trous noirs binaires.
  • Selon des simulations, il existerait une région en forme d'anneau autour des trous noirs supermassifs où des trous noirs stellaires seraient piégés.
  • Ces trous noirs entreraient alors en collision à répétition, engendrant les trous noirs massifs détectés.
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