Une image d'artiste montrant l'origine du signal dont l'observation a été faite par les détecteurs d'ondes gravitationnelles Ligo et Virgo le 21 mai 2019 (GW190521). Il devait s'agir d'une collision de trous noirs. © Mark Myers, ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav).
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Un jeu de billard chaotique expliquerait les trous noirs énigmatiques de Ligo et Virgo

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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. 

Bien des fusions détectées par Ligo et Virgo font intervenir des trous noirs dont les masses dépassent celles des trous noirs stellaires trahis par des émissions de rayons X. Des scénarios ont été proposés pour rendre compte de l'existence énigmatique de ces astres compacts dont on ne prévoyait pas l'existence. Le cas de la source d'ondes gravitationnelles GW190521 est particulièrement intrigant mais des explications commencent à arriver.

Depuis la mort de Stephen Hawking, nous n'avons quasiment pas progressé dans le domaine de la théorie quantique des trous noirs et le paradoxe de l’information et celui du Firewall qui lui est associé n'ont toujours pas eu de réponse. Par contre, les données et les tests concernant l'astrophysique des trous noirs et les théories relativistes de la gravitation alternatives à la théorie d'Einstein (comme celle de la relativité intriquée) se sont rapidement multipliés depuis l'essor de l'astronomie gravitationnelle.

Toutefois, les ondes gravitationnelles mises en évidence pour la première fois directement sur Terre depuis 2015 avec les détecteurs Ligo et Virgo ont amené également leur lot de surprises et d'énigmes. Ces instruments ont révélé l'existence de fusions entre des trous noirs dont les masses sont anormalement élevées au regard des modélisations classiques de l'effondrement des étoiles donnant des trous noirs stellaires, et surtout au regard des masses des trous noirs déjà débusqués par les émissions en rayons X des disques d'accrétion qui entourent certains, à savoir une dizaine de masses solaires tout au plus.

Jean-Pierre Luminet, directeur de recherche au CNRS et Françoise Combes, professeur au Collège de France, nous parlent des trous noirs et en particulier des trous noirs supermassifs dans les galaxies et qui sont derrière les AGN. © Fondation Hugot du Collège de France

Des masses et des orbites anormales

Le cas le plus intrigant est celui à l'origine de la source d'ondes gravitationnelles GW190521 qui, comme Futura l'expliquait notamment dans le précédent article ci-dessous, était le résultat de la fusion de deux trous noirs de respectivement 85 et 65 fois la masse du Soleil environ. Le produit final de cette fusion a dû être un trou noir de 142 masses solaires, ce qui veut dire que c'est l'équivalent de presque huit masses solaires qui ont été converties en rayonnement gravitationnel pur selon les lois de la physique des trous noirs connues.

Il est très difficile de rendre compte de l'existence de chacun des deux trous noirs à l'origine de GW190521 par effondrement gravitationnel d'étoiles car on sait que celles-ci ne dépassent généralement pas la centaine de masses solaires dans l'Univers observable actuel et que l'explosion en supernova à l'origine des trous noirs stellaires éjecte au loin une part importante de l'étoile génitrice d'un astre compact. C'est pour cette raison que les astrophysiciens se sont tournés vers des scénarios plus complexes, faisant intervenir notamment l'environnement des trous noirs supermassifs.

Comme Futura l'expliquait aussi dans le précédent article ci-dessous, de nouvelles analyses de la forme du signal de GW190521 conduisent à penser que les deux trous noirs avant la fusion étaient sur une orbite l'un autour de l'autre particulièrement excentrique.

C'est un problème parce que la théorie des ondes gravitationnelles qui emportent de l'énergie et du moment cinétique au loin pour un couple d'astres en orbite, les conduisant à se rapprocher pour finalement fusionner, tend à rendre leur orbite circulaire avec le temps et donc, en fait, assez rapidement non excentrique.

Toutefois, cette anomalie peut en fait trahir un scénario de formation qui donne la solution à l'énigme des trous noirs anormalement massifs de Ligo et Virgo en général. Cela conforte le scénario dit de croissance hiérarchique exploré et développé depuis quelque temps, comme le montre une publication dans le célèbre journal Nature et dont une première version est en libre accès sur arXiv.

Vue d'artiste d'un essaim de petits trous noirs dans un disque de gaz tournant autour d'un trou noir supermassif. Les interactions entre trois trous noirs, tels que ceux représentés au premier plan, se produisent relativement souvent et entraîneront avec une forte probabilité une fusion sur une orbite non circulaire. © J. Samsing, Niels Bohr Institute

Des collisions à trois corps amplifiées

Pour expliquer le fait que l'on ait rapidement découvert avec Ligo et Virgo des trous noirs massifs et selon des orbites plutôt excentriques, il faut trouver un mécanisme qui favorise la naissance de ces trous noirs et les rend donc abondants.

L'idée de base est de faire intervenir un trou noir supermassif comme ceux derrière les noyaux actifs de galaxies avec un disque d'accrétion. En modélisant ces environnements, on arrive à la conclusion que des trous noirs initialement de faible masse stellaire peuvent s'accumuler et se rassembler dans les disques d'accrétion des trous noirs géants au cœur des galaxies. Cela se produit grâce à la présence du gaz dans les disques qui conduit les trous noirs à s'approcher de l'astre compact central et ce faisant à être plus proches les uns des autres.

Le fait que les trous noirs se retrouvent initialement en mouvement et concentrés dans un plan et non plus selon des orbites également distribuées de façon sphérique autour du trou noir conduit alors à des phénomènes nouveaux, selon les résultats des calculs aujourd'hui publiés et venant d'une équipe internationale d'astrophysiciens.

Les rencontres à trois corps qui étaient négligeables en 3D par rapport aux rencontres à deux corps deviennent soudainement plus probables dans le disque qui concentre également les trous noirs stellaires comme on l'a dit.

Les mouvements résultants deviennent similaires à ceux d'un jeu de billard chaotique mais surtout les fusions se multiplient suivies de captures, de sorte que des trous noirs binaires de masse de plus en plus élevée naissent et entrent en interaction avec capture d'autres trous noirs, etc.

Surtout, la probabilité de former une fusion sur une orbite excentrique augmente d'un facteur pouvant aller jusqu'à 100 fois, ce qui conduit à ce qu'environ la moitié de toutes les fusions de trous noirs dans de tels disques soient produites avec des orbites excentriques.

Pour en savoir plus

Ondes gravitationnelles : l'origine des trous noirs énigmatiques de Ligo et Virgo se précise

Article de Laurent Sacco publié le 21/01/2022

Bien des fusions détectées par Ligo et Virgo font intervenir des trous noirs dont les masses dépassent celles des trous noirs stellaires trahis par des émissions de rayons X. Des scénarios ont été proposés pour rendre compte de l'existence énigmatique de ces astres compacts. Une nouvelle analyse du cas de la source d'ondes gravitationnelles GW190521 vient de conforter l'hypothèse à la base de ces scénarios.

On a de la peine à le croire mais cela fait déjà six ans que l’on a détecté directement sur Terre le passage d’une onde gravitationnelle. L'étude des pulsars binaires avait déjà fourni des indications indirectes depuis des décennies de la réalité de ces ondes. Les calculs menés à partir des équations de la relativité générale d'Einstein avaient en effet montré que pour ces étoiles à neutrons l'émission d'ondes s'accompagnait d'une perte d'énergie suffisamment rapide pour des systèmes binaires qu'il en devenait possible à l'échelle humaine de constater une diminution de la période orbitale des deux astres qui se rapprochaient donc l'un de l'autre. La vitesse d'évolution pouvait être calculée et des décennies de mesures avec des radiotélescopes, comme celui d'Arecibo, avaient conduit à vérifier avec une étonnante précision les prédictions à ce sujet, ce qui ne laissait déjà guère de doutes sur l'existence des ondes gravitationnelles.

Les détecteurs Ligo et Virgo ont donc permis de vérifier que ces émissions d'ondes conduisaient finalement aussi des trous noirs dans un système binaire à se rapprocher au point d'entrer en collision et de fusionner, émettant de fantastiques quantités d'énergie, là aussi sous forme d'ondes gravitationnelles, au point de convertir parfois jusqu'à plusieurs masses solaires en énergie pure emportées par ces ondes en bien moins d'une seconde.

On sait que selon le même principe des collisions entre étoiles à neutrons et entre trous noirs et étoiles à neutrons devaient se produire et là aussi les deux détecteurs ont mis en évidence les ondes produites.

Une vidéo de présentation de Virgo et de la chasse aux ondes gravitationnelles. © CNRS

Des trous noirs anormalement massifs pour une simple origine stellaire

Rappelons que nous sommes ainsi entrés dans l'ère de l'astronomie gravitationnelle grâce à Kip Thorne et Rainer Weiss d'un côté de l'Atlantique, Alain Brillet et Thibault Damour de l'autre côté. Mais, il ne faut pas oublier aussi tous les autres membres des collaborations Ligo et Virgo qui ont permis la détection et l'analyse des ondes gravitationnelles directement sur Terre ainsi que, bien évidemment, tant d'autres noms associés à leur quête depuis des décennies et qui sont malheureusement décédés (Ron Drever, Vladimir Braginsky, etc.).

Tout comme le spectre du rayonnement d'une étoile nous indique bien des choses sur une étoile, le spectre des ondes gravitationnelles peut nous révéler les masses, les moments cinétiques et des paramètres orbitaux comme l'excentricité des trous noirs dans un système binaire. Et ce fut donc une surprise lorsque les astrophysiciens relativistes ont calculé que les masses de la première source d'onde gravitationnelle détectée sur Terre étaient de respectivement environ 36 et 29 masses solaires pour les deux trous noirs géniteurs de GW150914 (GW étant l'acronyme de gravitational wave, onde gravitationnelle en anglais, et 150914 indiquant la date de l'observation, le 14 septembre 2015).

En effet, bien que l'on soit dans des ordres de grandeur des masses des étoiles massives, la théorie de l'évolution stellaire appliquée à la naissance des trous noirs par effondrement de ces étoiles en fin de vie a fortement tendance à produire des trous noirs stellaires nettement moins massifs. De fait, les rares trous noirs stellaires détectés auparavant, notamment par les émissions en rayons X des disques d'accrétion qui les entourent parfois, ne dépassaient pas les 15 masses solaires et l'on ne comprend donc pas très bien comment ces astres compacts ont pu se former. Ligo et Virgo ont de plus fourni d'autres exemples.

Le cas de GW190521 est encore plus problématique. L'analyse du signal de la source observée par Ligo et Virgo, le 21 mai 2019, a en effet révélé qu'il était le produit de la fusion de deux trous noirs de respectivement 85 et 65 fois la masse du Soleil environ. Le produit final de cette fusion a dû être un trou noir de 142 masses solaires, ce qui veut dire que c'est l'équivalent de presque huit masses solaires qui ont été converties en rayonnement gravitationnel pur.

Les chercheurs ont donc proposé rapidement divers scénarios pour tenter d'expliquer l'existence de telles anomalies.

Simulation numérique de deux trous noirs qui tournent en spiralant l'un vers l'autre et pour finir fusionnent, émettant des ondes gravitationnelles. Le signal d'onde gravitationnelle simulée est conforme à l'observation faite par les détecteurs d'ondes gravitationnelles Ligo et Virgo le 21 mai 2019 (GW190521). L '« horizon apparent » des trous noirs dans la simulation est affiché en noir. À 0:10, la simulation montre un nouvel horizon qui signale que les deux trous noirs ont fusionné. Le rayonnement gravitationnel est traduit en couleurs autour des trous noirs. Les couleurs passent du bleu, représentant un faible rayonnement, au rouge, représentant un fort rayonnement. © N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration

Des scénarios de fusion au cœur des galaxies et des amas globulaires

Ces scénarios reposent tous sur un même processus dit de fusion hiérarchique.

Dans l'un de ces scénarios, tout se passe 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.

Dans l'autre scénario, basé là aussi sur des simulations, les fusions entre trous noirs de masses stellaires sont catalysées par des rencontres entre ces trous noirs dans l'environnement particulier des amas globulaires. Rappelons que ce sont des assemblages d'anciennes étoiles particulièrement denses, pouvant rassembler en moyenne quelques centaines de milliers d'étoiles dans une sphère dont le diamètre n'est que de quelques dizaines à une centaine d'années-lumière tout au plus. On a donc des distances inter-étoiles de l'ordre d'une année-lumière en moyenne, mais pouvant être de l'ordre de la taille du Système solaire dans leur cœur.

Mais, comment tester ces scénarios ou pour le moins accréditer l'hypothèse du processus de fusion hiérarchique ? On a un début de réponse avec un article publié dans Nature Astronomy par des chercheurs du Centre for Computational Relativity and Gravitation du Rochester Institute of Technology et de l'Université de Floride.

Sur cette image d'artiste, on voit un trou noir binaire dans le disque d'accrétion d'un trou noir supermassif. © Caltech, R. Hurt (IPAC)

Selon cette hypothèse, les orbites des trous noirs avant fusion doivent être particulièrement excentriques puisque les systèmes binaires se forment par captures mutuelles de trous noirs stellaires et pas par évolution de deux étoiles massives formant une étoile double.

Les chercheurs ont donc repris les analyses des signaux détectées par Ligo et Virgo et se sont notamment concentrés sur le cas de GW190521. Il a fallu aussi générer des signaux représentant des systèmes binaires avec forte excentricité et diverses masses pour les comparer au signal de GW190521. Les astrophysiciens ont donc effectué des centaines de nouvelles simulations numériques complètes avec des superordinateurs de laboratoire, locaux et nationaux, ce qui a pris près d'un an.

Au final, le signal de GW190521 s'explique effectivement mieux avec une orbite à l'excentricité marquée, ce qui conforte l'hypothèse de l'existence de processus de fusion hiérarchique.

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