Les trous noirs sont l’un des objets les plus fascinants de l’Univers, mais notre connaissance d’eux est encore limitée, notamment parce qu’ils n’émettent aucune lumière. Jusqu’à il y a quelques années, la lumière était notre principale source de connaissances sur notre Univers et ses trous noirs, jusqu’à ce que l’Observatoire d’ondes gravitationnelles par interféromètre laser (LIGO) fasse en 2015 une observation révolutionnaire d’ondes gravitationnelles provenant de la fusion de deux trous noirs.

« Mais comment et où, dans notre Univers, de tels trous noirs se forment-ils et fusionnent-ils ? Est-ce que cela se produit lorsque des étoiles proches s’effondrent et se transforment toutes deux en trous noirs, est-ce que cela se produit lors de rencontres fortuites dans des amas d’étoiles, ou est-ce que c’est autre chose ? Ce sont là quelques-unes des questions clés de la nouvelle ère de l’astrophysique des ondes gravitationnelles », explique l’assistant Johan Samsing, professeur à l’Institut de physique des particules. Johan Samsing, de l’Institut Niels Bohr de l’Université de Copenhague, auteur principal de l’article.

Lui et ses collaborateurs ont peut-être maintenant fourni une nouvelle pièce du puzzle, qui résout peut-être la dernière partie d’un mystère avec lequel les astrophysiciens se débattent depuis quelques années.

Une découverte inattendue en 2019

Le mystère remonte à 2019, lorsqu’une découverte inattendue d’ondes gravitationnelles a été faite par les observatoires LIGO et Virgo. L’événement nommé GW190521 est compris comme étant la fusion de deux trous noirs, qui non seulement étaient plus lourds que ce que l’on pensait physiquement possible auparavant, mais avaient en plus produit un flash de lumière.

Des explications possibles ont depuis été fournies pour ces deux caractéristiques, mais les ondes gravitationnelles ont également révélé une troisième caractéristique étonnante de cet événement - à savoir que les trous noirs n’ont pas décrit une orbite circulaire l’un par rapport à l’autre dans les moments précédant la fusion.

« L’événement d’ondes gravitationnelles GW190521 est la découverte la plus surprenante à ce jour. Les masses et les spins des trous noirs étaient déjà surprenants, mais ce qui l’est encore plus, c’est qu’ils ne semblaient pas avoir une orbite circulaire avant la fusion », explique le co-auteur Imre Bartos, professeur à l’université de Floride.

Mais pourquoi une orbite non circulaire est-elle si inhabituelle et inattendue ?

« Cela est dû à la nature fondamentale des ondes gravitationnelles émises, qui non seulement rapprochent la paire de trous noirs pour qu’ils fusionnent enfin, mais agissent également pour circulariser leur orbite », explique le coauteur Zoltan Haiman, professeur à l’université de Columbia.

Cette observation a suscité l’étonnement de nombreuses personnes dans le monde, dont Johan Samsing, à Copenhague,

« J’ai commencé à réfléchir à la manière dont de telles fusions non circulaires (dites »excentriques« ) peuvent se produire avec une probabilité étonnamment élevée, comme le suggère l’observation », explique Johan Samsing.

Il faut être trois pour danser le tango

Une réponse possible se trouverait dans l’environnement difficile des centres de galaxies abritant un trou noir géant dont la masse est des millions de fois celle du Soleil et qui est entouré d’un disque de gaz plat et en rotation.

« Dans ces environnements, la vitesse et la densité typiques des trous noirs sont si élevées que les trous noirs plus petits rebondissent comme dans un jeu de billard géant et que les binaires circulaires larges ne peuvent exister », souligne le professeur Bence Kocsis de l’université d’Oxford, co-auteur de l’étude.

Mais, comme le groupe l’a également fait valoir, un trou noir géant ne suffit pas,

« De nouvelles études montrent que le disque de gaz joue un rôle important dans la capture de trous noirs plus petits, qui, au fil du temps, se rapprochent du centre et aussi les uns des autres. Cela implique non seulement qu’ils se rencontrent et forment des paires, mais aussi qu’une telle paire peut interagir avec un autre, un troisième, trou noir, ce qui conduit souvent à un tango chaotique avec trois trous noirs volant autour », explique l’astrophysicien Hiromichi Tagawa de l’Université de Tohoku, co-auteur de l’étude.

Cependant, toutes les études précédentes jusqu’à l’observation de GW190521 indiquaient que la formation de fusions excentriques de trous noirs est relativement rare. Cela soulève naturellement la question suivante : Pourquoi la source d’ondes gravitationnelles GW190521, déjà inhabituelle, a-t-elle également fusionné sur une orbite excentrique ?

Le billard bidimensionnel des trous noirs

Tout ce qui a été calculé jusqu’à présent reposait sur l’idée que les interactions entre les trous noirs se déroulent en trois dimensions, comme prévu dans la majorité des systèmes stellaires considérés jusqu’à présent.

« Mais nous avons ensuite commencé à réfléchir à ce qui se passerait si les interactions entre les trous noirs avaient lieu dans un disque plat, ce qui est plus proche d’un environnement bidimensionnel. De manière surprenante, nous avons constaté que dans cette limite, la probabilité de former une fusion excentrique est multipliée par 100, ce qui signifie qu’environ la moitié des fusions de trous noirs dans de tels disques peuvent être excentriques », explique Johan Samsing :

« Et cette découverte s’accorde incroyablement bien avec l’observation de 2019, qui, dans l’ensemble, pointe maintenant dans la direction que les propriétés autrement spectaculaires de cette source ne sont pas si étranges encore, si elle a été créée dans un disque de gaz plat entourant un trou noir super massif dans un noyau galactique. »

Cette solution possible ajoute également à un problème centenaire en mécanique,

« L’interaction entre 3 objets est l’un des plus vieux problèmes de la physique, que Newton, moi-même et d’autres ont intensément étudié. Le fait qu’elle semble maintenant jouer un rôle crucial dans la façon dont les trous noirs fusionnent dans certains des endroits les plus extrêmes de notre Univers est incroyablement fascinant », déclare le co-auteur Nathan W. Leigh, professeur à l’Universidad de Concepción, au Chili.

Trous noirs dans les disques gazeux

La théorie du disque gazeux s’accorde également avec les explications d’autres chercheurs concernant les deux autres propriétés déroutantes de GW190521. Les grandes masses du trou noir ont été atteintes par des fusions successives à l’intérieur du disque, tandis que l’émission de lumière pourrait provenir du gaz ambiant.

« Nous avons maintenant montré qu’il peut y avoir une énorme différence dans les signaux émis par les trous noirs qui fusionnent dans des disques plats et bidimensionnels, par rapport à ceux que nous considérons souvent dans des systèmes stellaires tridimensionnels, ce qui nous dit que nous avons maintenant un outil supplémentaire que nous pouvons utiliser pour apprendre comment les trous noirs sont créés et fusionnent dans notre Univers », dit Johan Samsing.

Mais cette étude n’est qu’un début, « Cela fait des années que l’on cherche à comprendre la structure de ces disques de gaz, mais le problème est difficile. Nos résultats sont sensibles à la planéité du disque et à la façon dont les trous noirs s’y déplacent. Le temps nous dira si nous en apprendrons davantage sur ces disques, une fois que nous aurons une plus grande population de fusions de trous noirs, y compris des cas plus inhabituels comme GW190521. Pour ce faire, nous devons nous appuyer sur notre découverte maintenant publiée, et voir où elle nous mène dans ce nouveau domaine passionnant » conclut le co-auteur Zoltan Haiman.

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