Trou noir intermédiaire : pourquoi cette détection inédite bat 5 records historiques

C’est une nouvelle étape importante en astronomie et astrophysique : l’existence des trous noirs intermédiaires a enfin été prouvée directement. La détection d’un nouveau signal, baptisé GW190521, a été présentée le 2 septembre 2020. Pour plusieurs raisons, ce signal est inédit et ouvre de nouvelles perspectives pour la recherche.

Au total, ce sont 5 records qui ont été atteints avec cette détection, a résumé l’observatoire gravitationnel européen lors d’un point presse. Le signal a été enregistré en mai 2019, par les deux observatoires Ligo et Virgo : deux trous noirs, de 85 et 65 masses solaires, sont entrés en collision, formant ainsi un trou noir unique de 142 fois la masse du Soleil.

En apprendre plus

Qu’est-ce qu’un trou noir ?

Le premier spécimen de sa catégorie

Ce trou noir de 142 masses solaires, résultat de la fusion du système, est le tout premier spécimen de sa catégorie détecté de façon directe. Sa masse fait de lui un trou noir de masse intermédiaire, des objets qui représentent de 100 à 100 000 fois la masse de notre Soleil.

Jusqu’à présent, seules des preuves indirectes de l’existence des trous noirs intermédiaires avaient été avancées. Avec le signal GW190521, nous avons pour la première fois un trou noir situé dans l’intervalle entre les trous noirs stellaires (issus de l’effondrement d’étoiles) et les trous noirs supermassifs (qui se trouvent généralement au cœur des grandes galaxies).

La plus grosse fusion de trous noirs détectée par Ligo et Virgo à ce jour.

Source : LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC) (annotation Numerama)

La fusion la plus massive observée…

Cet événement est la fusion de trous noirs la plus massive jamais détectée grâce à la méthode des ondes gravitationnelles. La masse initiale des deux trous noirs qui sont entrés en fusion est elle-même surprenante. Les trous noirs de masse stellaire, nés de l’effondrement d’une étoile massive, ont généralement une masse comprise entre 10 et 24 masses solaires.

Comment un trou noir de 85 masses solaires a-t-il bien pu se former ? Plusieurs scénarios sont envisagés. Il est d’abord possible que les scientifiques aient encore des choses à apprendre sur la manière dont les étoiles massives terminent leur vie. Mais on peut aussi imaginer que le trou noir n’a pas une origine stellaire, qu’il est lui-même né de la fusion d’autres plus petits trous noirs, dans un environnement dense. Autre hypothèse : il serait un trou noir primordial, qui existait déjà quand l’Univers était tout jeune.

… et la plus distante

GW190521 est également le signal le plus distant jamais observé à l’aide d’ondes gravitationnelles. Cette distance est de 7 milliards d’années-lumière — elle est estimée en distance de luminosité (une mesure de distance utilisée en cosmologie). Ce signal est aussi le plus ancien, car l’onde gravitationnelle a mis 7 milliards d’années à arriver jusqu’à nous.

La fusion la plus énergétique détectée

Le trou noir de 142 masses solaires est plus léger que la somme des deux trous noirs de départ : une partie de leur masse est convertie en ondes gravitationnelles. L’onde dilate et contracte l’espace sur son passage : les objets qui sont sur le passage d’une onde gravitationnelle vont voir leur longueur varier. Les détecteurs Ligo et Virgo cherchent à repérer ces infimes modifications.

Il se trouve que la rencontre de ces deux trous noirs est la plus énergétique détectée : elle a produit l’équivalent de 8 masses solaires, réparties à travers l’Univers sous la forme d’ondes gravitationnelles.

Leur axe de rotation semblait incliné

Dernier fait notable : les scientifiques ont pu mesurer la rotation de chacun des trous noirs. Ils ont été surpris de voir que, lors de leur approche l’un vers l’autre, les deux objets paraissaient tourner chacun selon leurs propres axes. Les angles de ces axes n’étaient pas alignés avec l’axe de leur orbite. Il est possible qu’un phénomène de précession (un changement dans leur axe de rotation) se soit produit lors de leur rapprochement l’un vers l’autre.