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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Ondes gravitationnelles : la naissance d'un nouveau type de trou noir a transformé 8 soleils en énergie pure !

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La source d'ondes gravitationnelles GW190521 est à ce jour la plus lointaine détectée puisqu'elle s'est produite à environ 7 milliards d'années-lumière de la Voie lactée. Atypique, il semble qu'elle soit quand même le produit de la fusion de deux trous noirs et surtout qu'il en aurait résulté la formation du premier trou noir de masse intermédiaire directement détecté, contenant 142 masses solaires. Mais il pourrait s'agir de tout autre chose...

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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. 

Les collaborations Ligo et Virgo viennent d'annoncer une étonnante découverte qui doit certainement faire plaisir aux pionniers grâce à qui nous sommes entrés dans l'ère de l'astronomie gravitationnelle, à savoir Kip Thorne et Rainer Weiss d'un côté de l'Atlantique, Alain Brillet et Thibault Damour de l'autre côté. 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.).

Rappelons que ces ondes, prédites par la théorie relativiste de la gravitation d'Einstein, sont des ondes dans la structure de l'espace-temps qu'elles déforment un peu à la façon dont le ferait une onde sonore dans un solide.

Rappelons également que la première source détectée et observée en septembre 2015 par Ligo, GW150914, était issue de la fusion de deux trous noirs de masse stellaire. Une partie de la masse totale des deux objets, qui contenaient chacun environ 30 fois la masse du Soleil, a été convertie en ondes gravitationnelles. Pour se donner une idée de l'énergie qu'un tel évènement représente, imaginons que, si ces ondes gravitationnelles avaient été des ondes électromagnétiques, alors la source d'ondes gravitationnelles aurait paru dans notre ciel plus lumineuse que la Pleine Lune. Pourtant, l'évènement s'est produit à environ 1,3 milliard d'années-lumière de la Voie lactée.

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

Un trou noir intermédiaire de 142 masses solaires

L'événement dont la détection est aujourd'hui annoncée dans deux publications, les revues Physical Review Letters et Astrophysical Journal Letter, devait être encore bien plus spectaculaire. L'analyse du signal de la source observée par Ligo et Virgo, le 21 mai 2019, et baptisée pour cette raison GW190521 (GW signifiant Gravitational Wave, c'est-à-dire onde gravitationnelle en anglais) a en effet révélé qu'il était le produit de la fusion de deux trous noirs, respectivement de 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.

Cerise sur le gâteau, il s'agit non seulement d'un record de masse pour les trous noirs initiaux détectés avec Ligo et Virgo, d'un record pour le trou noir résultant également, mais aussi de la plus lointaine source mise en évidence par les deux détecteurs puisqu'elle se trouvait à sept milliards d'années-lumière de la Voie lactée quand elle a été générée par ce cataclysme cosmique, il y a donc aussi sept milliards d'années, plus de deux milliards d'années avant la naissance du Soleil.

Les astrophysiciens relativistes sont perplexes. Les modèles d'évolution des étoiles massives explosant en supernovae SN II ainsi que les observations les soutenant ne rendent pas crédible la formation de trous noirs stellaires de masses comprises entre 60 et 120 masses stellaires. Les explosions sont si violentes qu'elles soufflent bien trop de matière pour en laisser assez s'effondrer sous forme de trous noirs dans cet intervalle de masse, surtout avec des étoiles dont les masses sont comprises dans l'intervalle précédent et qui doivent donner lieu à des supernovae par instabilité de paires.

Faut-il revoir la théorie des supernovae pour des étoiles massives ? Pas nécessairement parce qu'un trou noir de 142 masses solaires est précisément ce que l'on appelle un trou noir de masse intermédiaire, compris entre une centaine et quelques centaines de milliers de masses solaires tout au plus. Or, il existe des scénarios de fusion à répétition de trous noirs stellaires et de capture pour former des systèmes binaires qui permettraient de faire naître des astres compacts de ces masses.

C'est d'autant plus intéressant que l'on s'interroge sur la possibilité de faire naître les trous noirs supermassifs, qui dépassent les quelques centaines de milliers de masses solaires, justement par fusion de trous noirs de masses intermédiaires. Leur croissance viendrait ensuite dans l'Univers observable jeune des courants froids de matière dans le cadre du paradigme devenu dominant de la croissance des galaxies et des trous noirs supermassifs qu'ils hébergent.

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

Matière noire, corde cosmique ou... ?

Il existe une autre possibilité fascinante, les trous noirs détectés par Ligo et Virgo pourraient être la pointe émergée d'une population de trous noirs primordiaux nés pendant le Big Bang. Cette population pourrait même contribuer à résoudre l'énigme de la nature de la matière noire. Ce qui est sûr, c'est que nous sommes devant la première preuve directe de l'existence de trous noirs intermédiaires, les précédentes étant indirectes et via le rayonnement électromagnétique.

GW190521 laissait a priori aussi la place à une autre spéculation, peut-être plus fascinante encore. Le signal observé est atypique, notamment parce qu'il est d'une durée extrêmement brève, inférieure à un dixième de seconde. Sa forme comparée à celles générées par des simulations numériques fournissant une large bibliothèque de sources possibles laisse penser que son interprétation la plus probable est celle que l'on a avancée mais, comme l'explique dans un communiqué du MIT Alan Weinstein, membre de Ligo et professeur de physique à Caltech, « Cet événement ouvre plus de questions qu'il n'apporte de réponses ». Ainsi, on pouvait se demander si l'on n'était pas en fait être en présence d'un signal produit par une corde cosmique née pendant la toujours hypothétique mais très probable phase d'inflation de l'Univers très primordial. Ce type d'objet est prédit aussi bien par les théories de grande unification, les GUT, que par la théorie des supercordes (il s'agit d'objets cousins mais pas identiques dans les deux cas). On a pensé un temps, là aussi, qu'ils pouvaient tout comme la matière noire être à l'origine des galaxies et des grandes structures filamenteuses qui les rassemblent, mais on a abandonné cette hypothèse, ce qui ne veut pas dire qu'elles ne jouent pas tout de même un rôle bien que les observations faites avec le rayonnement fossile impliquent qu'il soit négligeable.Dans le cas de GW190521, il apparait en fait fortement improbable que l'on ait vu le rayonnement d'une corde cosmique.

Toujours dans le communiqué du MIT, Weinstein précise que : « Depuis que nous avons activé Ligo pour la première fois, tout ce que nous avons observé avec crédibilité a été une collision de trous noirs ou d'étoiles à neutrons. C'est le seul cas où notre analyse permet la possibilité que cet événement ne soit pas une telle collision. Bien qu'il soit cohérent avec une fusion de trous noirs binaires exceptionnellement massive et que les explications alternatives soient défavorisées, il repousse les limites de notre connaissance. Et cela le rend potentiellement extrêmement excitant. Parce que nous avons tous espéré quelque chose de nouveau, quelque chose d'inattendu, cela pourrait remettre en question ce que nous avons déjà appris. Cet événement a le potentiel de le faire. »

Une explication nettement plus prosaïque existe aussi, bien que le rasoir d'Occam n'y soit pas favorable non plus. GW190521 pourrait simplement être l'effondrement gravitationnel d'une étoile dans notre Voie lactée, mais alors une supernova aurait dû être détectée, par exemple avec un pic dans le flux de neutrinos arrivant sur Terre si elle avait été cachée par la poussière galactique.

Toujours est-il que voici ce que pense Jean-Pierre Luminet (qui va bientôt sortir un nouveau livre qu'il considère comme son Opus Magnum le 14 octobre aux Editions Odile Jacob :  L'Écume de l'espace temps) de cette découverte :  « Je ne suis pas convaincu qu'il faille parler de trou noir de masse intermédiaire (pour moi c'est au-dessus de 1.000 masses solaires) en lieu et place de trous noirs stellaires exceptionnellement massifs. Pour expliquer la formation de ces derniers je ne crois guère à des fusions successives de petits trous noirs stellaires, qui me semblent bien improbables (ne parlons même pas des cordes cosmiques, éliminées depuis belle lurette avec la débandade des théories supersymétriques), je privilégierai les trous noirs primordiaux formés moins d'une seconde après le Big Bang dans cet intervalle de masse (sans compter les bien plus massifs formés quelques secondes plus tard, qui permettraient de rendre compte des premiers quasars). Sans oublier, non plus  la possibilité de trous noirs de 50-100 masses solaires formés par effondrement gravitationnel d'étoiles très massives car de première génération et de très faible métallicité, et qui ne se seraient pas forcément désintégrées par instabilité de paires ».

Un extrait du dernier livre de Jean-Pierre Luminet. © Jean-Pierre Luminet

  • Ligo et Virgo deviennent de plus en plus sensibles et continuent de détecter les ondes gravitationnelles produites par des collisions de trous noirs stellaires.
  • La fusion observée le 21 mai 2019 bat des records car elle mettait en jeu deux trous noirs respectivement de 85 et 65 fois la masse du Soleil environ, à 7 milliards d’années-lumière de la Voie lactée. Le produit final de cette fusion a dû être un trou noir de 142 masses solaires.
  • Les astrophysiciens relativistes sont perplexes. Les modèles d’évolution des étoiles massives explosant en supernovae SN II ainsi que les observations les soutenant ne rendent pas crédible la formation de trous noirs stellaires de masses comprises entre 60 et 120 masses stellaires.
  • Mais il existe des scénarios de fusion à répétition de trous noirs stellaires et de capture pour former des systèmes binaires qui permettraient de faire naître des astres compacts de ces masses.
  • On s’interroge sur la possibilité de faire naître les trous noirs supermassifs qui dépassent les quelques centaines de masses solaires justement par fusion de trous noirs de masses intermédiaires. Leur croissance viendrait ensuite dans l’Univers observable jeune des courants froids de matière dans le cadre du paradigme devenu dominant de la croissance des galaxies et des trous noirs supermassifs qu’ils hébergent.
  • Il existe une autre possibilité fascinante, les trous noirs détectés par Ligo et Virgo pourraient être la pointe émergée d’une population de trous noirs primordiaux nés pendant le Big Bang.
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