Pour détecter certains trous noirs, on pourrait écouter la « symphonie » de leurs ondes

Pour réussir à détecter des trous noirs intermédiaires, des scientifiques veulent écouter la « symphonie » de leurs ondes gravitationnelles. Une nouvelle étude, publiée le 18 novembre 2019 dans la revue Nature Astronomy, explique comment l’astronomie gravitationnelle pourrait aider à percer les secrets de cette catégorie de trous noirs. Une prépublication du texte est accessible ici.

Il existe plusieurs types de trous noirs, classés en fonction de leur masse. Les plus célèbres sont les trous noirs supermassifs, comme M87*, le premier à avoir été imagé : leur masse est équivalente à un million de masses solaires, ou plus. Il existe aussi des trous noirs stellaires, créés lorsqu’une étoile massive s’effondre sur elle-même (ce destin ne sera pas celui de notre Soleil, car il n’est pas suffisamment massif). Quant aux trous noirs intermédiaires, leur masse représente quelques milliers de fois celle du Soleil : ils sont à mi-chemin entre les trous noirs supermassifs et les trous noirs stellaires. C’est de cette catégorie qu’il est question.

Le trou noir supermassif M87*.

Source : Flickr/CC/Stuart Rankin (photo recadrée)

Qu’est-ce qu’une onde gravitationnelle ?

« La mesure directe des ondes gravitationnelles est un outil puissant pour étudier la population de trous noirs dans l’univers », soulignent les auteurs de l’étude. Une onde gravitationnelle est comparable à une onde électromagnétique (onde radio, lumière), Elle émet de l’énergie et se déplace. Néanmoins, comme son nom l’indique, elle est provoquée par un phénomène gravitationnel. La première détection directe d’une onde gravitationnelle a été annoncée en 2016 : les observatoires LIGO et Virgo ont détecté ce phénomène, attribué à la collision de deux trous noirs d’environ 30 masses solaires.

Pendant des millions d’années, des trous noirs peuvent graviter autour d’un centre commun jusqu’à se heurter. « Ces collisions de trous noirs sont les phénomènes les plus énergétiques de l’univers connu », expliquent les auteurs. Pourrait-on s’en servir pour détecter des trous noirs intermédiaires ?

Pour l’instant, « il n’existe pas encore de preuve incontestable de [l’existence de] trous noirs de masse intermédiaire », comme le rappellent les scientifiques. La présence de tels trous noirs est fortement soupçonnée : on a des indices de leur existence, mais on ne sait pas exactement quelles masses ils font, et comment ils se forment.

Une collision entre deux trous noirs supermassifs.

Source : Wikimedia/CC/NASA/CXC/A.Hobart (photo recadrée et modifiée)

Détecter ces ondes depuis la Terre et l’espace

Pour détecter des trous noirs intermédiaires, les auteurs proposent de réaliser deux types d’observations des ondes gravitationnelles : depuis l’espace et depuis la Terre. En cumulant les observations de LIGO et de la future mission spatiale LISA (« Laser Interferometer Space Antenna », trois satellites capables de détecter les ondes gravitationnelles) de l’Agence spatiale européenne, les chercheurs estiment qu’il serait possible de détecter des fusions de trous noirs intermédiaires. Il va cependant falloir attendre encore un peu : le lancement de LISA est prévu pour 2034.

Pour aller plus loin

Une nouvelle catégorie de petits trous noirs cachés a peut-être été découverte

« Comme un orchestre symphonique qui émet des sons sur une gamme de fréquences, les ondes gravitationnelles émises par les trous noirs se produisent à des fréquences et des moments différents », résume l’astrophysicien Karan Jani, co-auteur de l’étude, cité dans un communiqué de l’université Vanderbilt. Grâce aux ondes gravitationnelles, les scientifiques pourront peut-être bientôt découvrir les secrets des trous noirs intermédiaires.