Détection de nouveaux signaux (III)

GW151226 : du bruit

Après la découverte de GW150914 le 14 septembre 2015, comme un évènement n'arrive jamais seul et peut-être pour contredire Belczynski et ses collègues, le 26 décembre 2015, B.P.Abbott et ses collègues des Collaborations LIGO et Virgo annoncèrent la détection du signal GW151226, cette fois émis par la fusion de deux trous noirs d'une masse totale de 22 M.

Toutefois, le 15 juin 2016, au cours de la 228^e réunion de l'American Astronomical Society les mêmes chercheurs ont annoncé que ce signal très faible présentait des caractéristiques différentes du premier évènement. Des contre-analyses ont montré que son amplitude était inférieure au seuil de sensibilité des instruments. Autrement dit, le deuxième évènement est en fait du bruit et non pas un véritable signal.

GW170104 : fusion de deux trous noirs de 19 M et 32 M

Le 1 juin 2017, les Collaborations LIGO et Virgo annonçèrent la détection du signal GW170104, cette fois émis par la fusion de deux trous noirs de respectivement 19 M et 32 M qui après fusion ont formé un trou noir d'environ 49 M. Les 2 M résiduelles furent converties en énergie gravitationnelle qui fut détectée par LIGO après avoir parcouru près de 3 milliards d'années-lumière (z=0.18). Avant leur fusion, les deux trous noirs stellaires présentaient une taille de respectivement 115 km et 190 km de diamètre. Le trou noir résultant de leur fusion mesure 280 km de diamètre. Les analyses ont également permis d'estimer la masse des gravitons à 7.7x10^-23 eV/c².

Notons que l'onde gravitationnelle a détendu le faisceau laser de l'interféromètre LIGO d'une longueur de 0.000 000 000 000 000 001 mètre soit 1x10^-18 m, ce qui est 1000 fois plus petit que la taille d'un proton ! Les physiciens ont calculé que la probabilité que les détecteurs des laboratoires de Hanford et de Livingston enregistrent simultanément le même phénomène était de 1 en 70000 ans. Autrement dit, il est excessivement peu probable que le signal détecté soit un bruit aléatoire ou une erreur instrumentale.

GW170814 : fusion de deux trous noirs de 30.5 M et 25.3 M

Le 14 août 2017 à 10:30:43 TU, un quatrième signal d'onde gravitationnelle issu de la fusion de deux trous noirs a été détecté. Dénommé GW170814, c'est le premier évènement observé par 3 détecteurs, incluant non seulement les deux détecteurs LIGO américains mais également le détecteur franco-italien Virgo Advanced, ce qui a permis une meilleure triangulation de la localisation de l'évènement.

Le signal fut émis par la fusion de deux trous noirs de masse stellaire estimée respectivement à environ 30.5 M et 25.3 M situés à environ 1.8 milliard d'années-lumière dans la constellation d'Eridan.

L'analyse de la polarisation du signal a également permis de confirmer la validité de la théorie de la relativité générale. En outre, sur base du décalage Doppler (z=0.11), les physiciens ont pu estimer deux paramètres cosmologiques (assumant un modèle d'univers plat FRW) : la constante de Hubble H_o = 67.9 km/s/Mpc (très proche de la valeur de 67.8 km/s/Mpc calculée en 2013 à partir des données du satellite Planck) et le paramètre de densité (la densité baryonique moyenne) Ω_M = 0.3065, qui est bien dans la fourchette 0.27-0.41 obtenue par d'autres chercheurs et par la mission Planck. On en reparlera en cosmologie.

Caractéristiques et localisation du signal GW170814 détecté le 14 août 2017 par LIGO et VIRGO. Il provient de la fusion de deux trous noirs stellaires situés à 1.8 milliard d'années-lumière dans la constellation d'Eridan.

Enfin, les caractéristiques du trou noir résultant de GW170814 sont similaires à GW150914 et GW170104 et se révèlent compatibles avec la population astrophysique et le taux de fusion des trous noirs déterminé au cours des précédentes détections.

GW170817 : fusion de deux étoiles à neutrons

Le 17 août 2017, l'interféromètre LIGO en collaboration avec l’interféromètre Virgo détecta un cinquième passage d’ondes gravitationnelles qui fut nommé GW170817. Quelque deux secondes plus tard, deux télescopes spatiaux gamma, Fermi de la NASA et INTEGRAL de l’ESA. Il fallait à présent déterminer s'il s'agissait d'une simple éruption gamma ou d'une brève éruption gamma typique des GRB (Gamma-Ray Bursts).

Dans un article publié dans les "MNRAS" en juillet 2017, malgré l'avis négatif de certains spécialistes, l'astrophysicien théoricien Davide Lazzati de l'Université d'Orégon et ses collègues suggérèrent que la fusion de deux étoiles à neutrons était susceptible de produire des éruptions gamma visibles depuis la Terre, même si le faisceau ne pointait pas dans notre direction (il serait simplement plus faible).

Dans les heures qui suivirent l'évènement, les télescopes de l'ESO (VISTA, VST et REM) puis les Pan-STARRS et Subaru furent sollicités pour identifier optiquement la source de rayonnement. La source de lumière fut identifiée à proximité de la galaxie lenticulaire NGC 4993 située à environ 130 millions d'années-lumière dans la constellation de l’Hydre.

Puis le 26 août 2017, le satellite Chandra détecta une brève émission de rayons X provenant de la source GW170817.

C'était la première fois qu'une source astrophysique fut détectée par ses ondes gravitationnelles et ses rayonnements émis à travers tout le spectre électromagnétique.

Suite à ces observations, le 16 octobre 2017 l'ESO et Chandra annoncèrent officiellement la découverte de la contrepartie visible de cette source d'ondes gravitationnelles.

A voir : New Gravitational Wave Discovery (GW170817), LIGO Virgo

A gauche, la galaxie NGC 4993 située à environ 130 millions d'années-lumière dans la constellation de l’Hydre. Au centre, observation de la contrepartie optique du signal GW170817 et du flash gamma dans la galaxie NGC 4993 par le Télescope Spatial Hubble. A droite, le décalage en fréquence de l'onde gravitationnelle lors de son passage dans l'interféromètre LIGO. Documents ESO, ESO/ESA/STScI et LIGO.

Les spectres obtenus par le NTT et le VLT permirent de détecter les émissions d'éléments lourds et radioactifs comme le platine, l'uranium et probablement le césium et de tellure (un isotope du césium), tous prédits par les modèles de fusion des étoiles à neutrons. De l'or a même été produit dont la quantité fut estimée à la masse de la Terre ! Ces éléments ainsi que d’autres auraient été disséminés dans l’espace lors de la phase kilonova; l'évènement de nature explosive présentait une luminosité 1000 fois supérieure à celle d’une nova classique.

Le processus de nucléosynthèse d'éléments plus lourds que le fer appelé "processus r" (cf. le Soleil) était jusqu’à présent purement théorique et sa découverte dans un phénomène céleste confirme que les modèles sont très près de la réalité.

L'explosion ne fut pas observée immédiatement dans le spectre visible car on apprit plus tard qu'on n'avait pas observé le faisceau ou beam dans l'axe mais sous une inclinaison d'environ 30° selon les dernières analyses publiées en 2018 par Lazzati et ses collègues.

A partir de ces données, on pouvait à présent conclure que ces émissions X et gamma provenaient d'un faisceau de particules de haute énergie produit au moment de la fusion de deux étoiles à neutrons. Les jet structurés présentaient un noyau relativiste très énergétique entouré de particules plus lentes de plus faible énergie qui produisirent une émission de rémanence qui s'intensifia au cours du temps.

Finalement, en 2018 Lazzati et ses collègues confirmèrent dans les "Physical Review Letters" que le jet pulsé et collimaté de rayons gamma observé dans les éjecta correspondait au modèle précis dit canonique d'au moins une éruption GRB. 

A voir : Fusion de deux étoiles à neutrons, NASA

A gauche, la kilonova observée en UV par satellite Swift de la NASA observée 15 heures après l'évènement GW170817 produit par la fusion de deux étoiles à neutrons le 18 août 2017. Au centre, la kilonova observée par le Télescope Spatial Hubble superposée à l'enregistrement rayons X de Chandra détecté 9 jours plus tard. Cliquez sur les images pour lancer les animations (GIF de 1 MB). A droite, illustration de la fusion de deux étoiles à neutrons qui fut à l'origine de la kilonova. Ce phénomène produit tout un spectre de rayonnements très énergétiques (X, γ) y compris tout l'éventail des éléments lourds. Documents NASA/Swift, NASA/CXC/E.Troja et Robin Dienel/CIS.

Restait à présent à déterminer si l'objet résultant de la fusion était encore une étoile à neutrons ou s'il s'était transformé en trou noir. S'il s'agissait d'une étoile à neutrons, les astronomes s'attendaient à découvrir une étoile en rotation très rapide et générant un champ magnétique très intense (un pulsar milliseconde ou un magnétar). Dans ce cas, l'étoile aurait émis ce qu'on appelle un vent de pulsar (cf. les SNR), une bulle en expansion composée de particules de haute énergie (comme celle que peut émettre un magnétar) qui aurait entraîné une émission de rayons X s'intensifiant en quelques années, passant de ~10² à ~10⁵² erg.

Au lieu de cela, les données de Chandra ont montré que le niveau de rayons X fut des centaines de fois plus faibles que la valeur théorique, y compris en tenant compte de l'énergie de la bulle de vent de pulsar. Selon les données de la Collaboration Fermi LAT, la luminosité de l'explosion était au maximum de 9.7x10⁴³ erg/s soit un un facteur 5 fois inférieur au flash du GRB 090510.

Variation à 4 mois d'intervalle de la luminosité de la contrepartie rayons X de la source GW170817. Chaque image couvre environ 0.5' ou ~205000 années-lumière. Compte tenu de la durée du phénomène, de l'évolution bien trop calme des émissions de rayons X et de l'intensité du champ magnétique, le résidu de l'explosion s'est vraisemblablement transformé en étoile à neutrons hypermassive. Documents NASA/CXC.

Entre-temps, des mesures réalisées avec l'installation radiointerférométrique du VLBA montrèrent que l'émission X provenait uniquement de l'onde de choc générée lors de la collision survenue au moment de la fusion des deux étoiles et du phénomène de kilonova. Cet indice semblait renforcer l'hypothèse que l'objet résultant serait un trou noir.

Selon les chercheurs, en supposant que la luminosité de l'éventuelle rémanent d'étoile à neutrons fut totalement convertie en émissions de rayons X avec un vent de pulsar dans la bande 0.5-8 keV avec une efficacité de 0.1% et un champ magnétique dipolaire de 3x10¹¹ à 10¹⁴ G, les émissions X auraient dû être plus lumineuses que celles observées près de 4 mois après l'évènement (à J+107).

Dans un premier temps, David Polley de l'Université de Trinity et ses collègues concluèrent dans "The Astrophysical Journal Letters" en 2018 (en PDF sur arXiv) que la fusion des deux astres forma un trou noir d'environ 2.7 M, le petit connu à ce jour. Mais les résultats de nouvelles analyses publiées en novembre 2018 sur le site de la RAS ont montré que la fusion des deux étoiles à neutrons ne forma pas un trou noir mais donna plutôt naissance à une nouvelle étoile à neutrons hypermassive. La conclusion des scientifiques est soutenue par les données du spectrogramme LIGO que l'on voit ci-dessous.

Graphique illustrant l'évènement GW170817 produit par la coalescence de deux étoiles à neutrons enregistré par l'observatoire LIGO. On voit clairement le passage de l'onde gravitationnelle (son décalage en fréquence) sous la forme d'une séquence de points dans la courbe ascendante. Document LIGO/M.H.P.M van Putten & M. Della Valle.

Effet superluminique

Grâce à un réseau VLBI constitué des radiotélescopes du VLBA, VLA Karl Jansky et GBT, dans les mois qui suivirent l'évènement GW170817 les radioastronomes de l'observatoire NRAO ont découvert qu'une région du mergeur émettant un signal radio s'était déplacée à une vitesse tellement rapide qu'elle ne pouvait s'expliquer que par un jet superluminique, un effet très connu de la relativité restreinte.

Selon les radioastronomes dont Kunal Mooley du NRAO et Caltech, comme on le voit ci-dessous à gauche, le jet bipolaire de plasma perça la coquille d'éjecta puis se brisa d'un côté, poussant devant lui le nuage de débris en formant un point chaud. Entre octobre 2017 et avril 2018 soit en 155 jours ce point chaud parcourut 2 années-lumière, ce qui correspond à une vitesse apparente 4 fois supérieure à la vitesse de la lumière (4c). Les nouvelles données de 2022 du HST combinées à celles de 2018 du VLBI montrent que la vitesse apparente du jet atteignit 7 fois la vitesse de la lumière ! (cf. K.P. Mooley et al., 2022).

Comme on le voit ci-dessous à gauche, les modélisations indiquent que le jet est probablement très étroit, formant un angle inférieur à 5°, et pointait à seulement 20° de la direction de la Terre au moment des observations. La matière émise par ce jet fut éjectée à plus de 0.97c ou 97% de la viresse lumière. De nouvelles données enregistrées par le Télescope Spatial Hubble en 2022 combinées au données du VLBI de 2018 (cf. NRAO) indiquent que la vitesse réelle du jet à la source atteignit 99.97% de la vitesse de la lumière !

A voir : Hubble Reveals Ultra-Relativistic Jet, NASA/GSFC, 2022

A gauche, simulation de l'image radio observée à 3 et ~7 mois après l'évènement GW170817 avec l'apparition d'un jet superluminique qui parcourut 2 a.l. en 155 jours ce qui représente une vitesse apparente de 4c. Au centre, modélisation de la fusion des deux étoiles à neutrons avec la formation d'un jet bipolaire et d'une bulle d'éjecta. La position de l'observateur (LIGO et NRAO) est indiquée par l'oeil. A droite, illustration de la collision suivie de la fusion des deux étoiles à neutrons et l'émission d'un jet bipolaire avec effet superluminique à 7c pour une vitesse réelle à la source d'émission de 99.97% de celle de la lumière ! Documents NRAO/AUI/NSF adaptés par l'auteur et NASA.

C'est un heureux concours de circonstances qui permit d'observer ce phénomène car à quelques degrés près, si le jet ne pointait pas vers la Terre, l'émission radio aurait été trop faible pour être détectée.

Selon Mooley, la détection d'un jet superluminique dans GW170817 renforce considérablement le lien entre les fusions d'étoiles à neutrons et les sursauts de rayons gamma de courte durée.

Formation d'une nébuleuse d'éjecta sphérique

La kilonova AT2017gfo qui fut à l'origine de l'évènement GW170817 produisit une nébuleuse d'éjecta symétrique, totalement sphérique, une forme que les astrophysiciens ne s'expliquent pas car leurs modèles ne le prévoient pas !

Dans un article publié dans la revue "Nature" en 2023, Albert Sneppen de l'Institut Niels Bohr de l'Université de Copenhague et ses collègues rappellent que "la géométrie d'une kilonova est un diagnostic clé de la fusion et est dictée par les propriétés de la matière ultra-dense et l'énergie de l'effondrement en trou noir. Les modèles de fusion hydrodynamiques actuels montrent généralement des éjecta asphériques." Or les analyses spectrales (de la raie Sr⁺ en particulier), l'inclinaison de la source et la nature du corps noir du spectre de la kilonova indiquent que les éjecta de la kilonova ont formé une bulle sphérique aux premières époques.

Les auteurs concluent que "l'injection d'énergie par désintégration radioactive est insuffisante pour rendre l'éjecta sphérique. Un vent magnétar ou un jet du disque du trou noir pourrait injecter suffisamment d'énergie pour induire une distribution plus sphérique dans l'éjecta global; cependant, un processus supplémentaire semble nécessaire pour uniformiser la distribution des éléments." Les théoriciens doivent donc revoir leur copie et affiner leurs modèles une fois de plus.

Confirmation des 4 dimensions de l'espace-temps

Selon la théorie des cordes (cf. les univers multiples) et les théories supersymétriques (cf. les supercordes) comme la théorie de la supergravité de Kaluza-Klein ou même en modifiant légèrement la théorie de la relativité générale comme le proposent Dvali, Gabadadze et Porrati (DGP), l'Univers pourrait présenter des dimensions supplémentaires cachées accessibles à la gravité. En effet, ces éventuelles dimensions supplémentaires ne sont pas observables avec des ondes électromagnétiques, mais cette information est disponible dans les ondes gravitationnelles, permettant pour la première fois de tester les modèles d'Univers et certaines théories exotiques.

Si ces dimensions spatiales supplémentaires s'étendent à grande échelle, c'est-à-dire si elles ne sont pas enroulées et compactifiées à l'échelle microscopique, une partie du champ gravitationnel pourrait "fuir" dans ces dimensions supplémentaires. Par conséquent, l'intensité des ondes gravitationnelles parvenant aux détecteurs seraient plus faible que prévu.

La source du signal GW170817 produisit à la fois des ondes gravitationnelles et un rayonnement électromagnétique qui furent mesurés par un large éventail d'instruments. En recoupant toutes ces données, les chercheurs ont découvert dans quelle galaxie la fusion eut lieu (près de NGC 4993) et ont donc une bonne estimation de la distance parcourue par les ondes gravitationnelles. En utilisant cette mesure de distance et la mesure de l'intensité du signal des ondes gravitationnelles, les chercheurs ont pu vérifier si le signal suivait les lois de la relativité générale ou un modèle contenant des dimensions spatiales supplémentaires.

En se basant sur deux valeurs de la constante de Hubble obtenues par deux méthodes différentes (cf. CERN Courier, may 2018, p17), l'astrophysicien Kris Pardo de l'Université de Princeton et ses collègues démontrèrent dans un article publié en 2018 dans le "Journal of Cosmology and Astroparticle Physics" que quelle que soit la valeur considérée, les résultats donnent une dimension totale de l'Univers de 4.0 ±0.1. Les données des ondes gravitationnelles n'ont pas révélé l'existence de nouvelles dimensions spatiales comme certains l'espéraient pour expliquer notamment la présence de matière et d'énergie sombre dans l'Univers, cette force qui semble accélérer le taux d'expansion de l'Univers ou comme alternative à la théorie de la relativité générale.

Selon les chercheurs, les résultats des analyses n'ont pas ajouté de contraintes à la théorie des cordes à 10 dimensions et confirment que l'Univers présente bien 3 dimensions spatiales et une dimension temporelle sur des échelles spatiales comprises entre ~1.5 km et au moins 80 millions d'années-lumière. En dehors de ces bornes, on ne peut pas encore le certifier. Toutefois, les chercheurs reconnaissent qu'il existe de nombreuses théories alternatives pouvant être valides mais qu'il n'est pas possible de les tester toutes. En attendant, les lois de la physique ont passé avec succès ce nouveau test de cohérence.

L'analyse des données indique également que la durée de vie du graviton est d'au moins 450 millions d'années. En effet, si la gravité avait "fuit" dans des dimensions supplémentaires, la décroissance des gravitons détectés sur Terre aurait provoqué un affaiblissement du signal des ondes gravitationnelles. Or les gravitons n'ont subi aucune décroissance contrairement à ce que prédisaient certaines théories alternatives qu'on peut dorénavant écarter.

Comme les auteurs l'ont souligné dans leur article, les résultats concernent uniquement les modèles d'Univers finis (c'est-à-dire fermés mais sans limites) sans dimensions supplémentaires macroscopiques. Etant donné que de nouveaux évènements sont régulièrement détectés avec une précision accrue, à l'avenir cela pourrait changer. Un paramètre prometteur capable de sonder un plus grand nombre de modèles est la polarisation des ondes gravitationnelles. Malheureusement, pour GW170817 les informations de polarisation n'étaient pas disponibles au moment de l'observation en raison du nombre limité de détecteurs. Mais bientôt les physiciens disposeront de détecteurs supplémentaires grâce notamment aux installations KAGRA au Japon et IndIGO en Inde.

GW170608 : fusion d'un trou noir binaire de 19 M

Le 15 novembre 2017, la Collaboration LIGO annonça la découverte d'une nouvelle coalescence de deux trous noirs de 7 et 12 M détectée le 8 juin 2017. La masse du trou noir résultant est de 19 M.

Comparaison des rapports de masses (q, gauche) et le rapport de masse (Mf) et de magnitude de spin (af) du trou noir résultant (droite) des diférentes fusions stellaires accompagnées d'ondes gravitionnelles détectées par LIGO et VIRGO jusqu'en 2018. Document LIGO Scientific Coll/Virgo Coll.

Notons que quatre nouvelles détections d'ondes gravitationnelles furent annoncées en 2018 puis quatre supplémentaires par les Collaborations LIGO et Virgo. La plupart concerne la fusion de trous noirs stellaires mais il y a également la fusion d'étoiles à neutrons. L'évènement GW170729 est particulièrement intéressant.

GW170729 : fusion d'un trou noir binaire de 80 M

Le 30 novembre 2018, la Collaboration LIGO annonça la détection de l'évènement GW170729 survenue le 29 juillet 2017 qui résulte de la fusion de deux trous noirs. Avant leur coalescence, les deux objets avaient une masse de respectivement ~50.6 et 34.3 M et fusionnèrent en un objet de 80.3 M (cf. K.Chatziioannou et al., 2019; C.Berry et al., 2019).

La source se situe à environ 2750 Mpc soit à plus de 8.96 milliards d'années-lumière; c'est la plus éloignée détectée à ce jour par aLIGO et un record qu'il sera difficile de dépasser.

C'est l'un des rares phénomènes où la masse initiale de l'un des trous noirs atteint 50 M. Il est d'ailleurs difficile de savoir quel type d'étoile peut engendrer un trou noir aussi massif. Ce problème suscita l'intérêt de physiciens japonais qui publièrent un article sur le sujet dans "The Astrophysical Journal" en 2019.

En résumé, les calculs réalisés par les chercheurs prédisent que les étoiles de 80 à 130 M sur la Séquence principale engendrent des trous noirs stellaires de 52 M maximum. Ensuite, il existe un écart de masse entre les trous noirs stellaires de 52 M et ceux dépassant environ 150 M. En effet, les étoiles dont la masse varie entre 130 et 300 M sur la Séquence principale deviennent des supernovae dont l'explosion détruit totalement leur coeur.

Nous verrons à propos des supernovae que dans ce cas ci, ce serait la pulsation (affaissement et expansion) répétée de l'étoile progénitrice qui conduisit à l'épuisement de l'oxygène au cours d'un processus appelé l'instabilité de paire pulsationnelle ou PPI qui fut suivi par l'effondrement du coeur de fer en trou noir. Cela signifie que le trou noir de ~50 M de GW170729 est très probablement le vestige d'une étoile d'environ 120 M qui engendra une supernova PPI alias PPISN mais qui n'a pas été observée.

Les résultats obtenus par les chercheurs prédisent également qu'un milieu circumstellaire massif se forme suite à la perte de masse pulsationnelle, de sorte que la supernova associée à la formation de ces trous noirs induira une collision entre les ejecta et la matière circumstellaire, créant une supernova superlumineuse (SLS). On y reviendra à propos des trous noirs (cf. SN 2015L alias ASASSN-15lh), y compris des TDE qui accompagnent les trous noirs supermassifs.

Ces prédictions théoriques pourront être testées sur les futures ondes gravitationnelles.

S190814bv

En 2019, les Collaborations LIGO et Virgo détectèrent l'évènement S190814bv produit par des ondes gravitationnelles provenant vraisemblablement de l'absorption d'une étoile à neutrons par un trou noir. Un évènement similaire avait déjà été soupçonné en avril 2019 mais le signal était trop faible pour être concluant.

GW190521 : le trou noir "impossible"

Le 21 mai 2019, les installations LIGO et Virgo ont détecté l'évènement GW190521 résultant de la fusion de deux trous noirs pesant respectivement 85 M et 66 M en un trou noir de 142 M. L'équivalent de 8 M furent émises sous forme d'ondes gravitationnelles. La fréquence de fusion était si basse que le trou noir binaire n'est entré dans la plage de sensibilité de LIGO et Virgo qu'au cours de ses deux dernières orbites. L'évènement s'est produit à une distance z ~ 0.82 soit environ 17.3 milliards d'années-lumière. Les deux trous noirs ont fusionné lorsque l'Univers avait 7 milliards d'années, soit environ la moitié de son âge actuel.

Cet évènement est de loin la fusion de trous noirs la plus massive détectée à ce jour. Sa découverte fit l'objet de deux articles publiés par l'équipe de R.Abbott dans les "Physical Review Letters" et "The Astrophysical Journal Letters" en 2020.

Peu après des chercheurs ont également pu évaluer la constante de Hubble H_o ~ 68.8 km/s/Mpc (cf. V.Gatathri et al., 2021), soit proche de la valeur calculée à partir des données du satellite Planck.

Depuis, les paramètres de ce trou noir furent révisés par une équipe indépendante de la collaboration LIGO-Virgo. Dans un article publié dans les "Physical Review Letters" en 2023, Badri Krishnan de l'Institut Max Planck de Physique Gravitationnelle (Institut Albert Einstein) et ses collègues ont confirmé que le trou noir résultant qui était originellement déséquilibré est devenu stable et prit une forme sphérique de moindre énergie. De plus, de la même manière qu'une cloche sonne à une fréquence spécifique déterminée par sa forme, la fréquence de vibration du trou noir qui dépend de sa masse et de sa rotation indique que sa masse atteindrait 250 M, beaucoup plus élevée que ce que suggérait l'analyse originale de la collaboration LIGO-Virgo.

Mais ce n'est pas la seule raison pour laquelle cet évènement fit la une des revues spécialisées. Le mergeur le plus massif est considéré comme "impossible". En effet, comme expliqué dans la présentation des trous noirs stellaires, les modèles prédisent que les étoiles dont la masse est comprise entre 65 et 130 M subissent un processus appelé instabilité de paire, entraînant leur explosion en supernova (cf. les PISN), ne laissant aucun résidu stellaire ni vestige (SNR) derrière elle.

A voir : Spacetime ripples from GW190521, MPIfG, 2020

Numerical simulation of a heavy black-hole merger (GW190521), MPG, 2023

L'évènement GW190521. Document LIGO et al. (2020).

Avec ses 85 M avant sa fusion, le trou noir le plus massif se situe en plein dans la "zone interdite" de masse supérieure et, selon les astrophysiciens, il devrait être "impossible". Donc, s'il n'a pas été créé par l'effondrement d'une étoile, comment s'est-il formé ? Selon Susan Scott de l'École de recherche de physique de l'ANU et coauteure des articles précités, "[les trous noirs] aspirent également d'autres trous noirs et il est possible de produire des trous noirs de plus en plus gros par collisions par les générations précédentes de trous noirs. Le trou noir "impossible" détecté a peut-être été produit de cette manière."

Rappelons que les trous noirs ayant une masse comprise entre 100 et 100000 M entrent dans la catégorie des trous noirs de masse intermédiaire ou IMBH. Selon Scott, "Nous sommes très heureux d'avoir réalisé la première observation directe d'un IMBH dans cette gamme de masse. Nous avons également vu comment il s'est formé, confirmant que les IMBH peuvent être produits par la fusion de deux petits trous noirs."

Une autre étude suggère que les scientifiques utilisant l'installation Zwicky Transient Facility (ZTF) du Caltech installée à Palomar ont peut-être détecté en juin 2020 une légère éruption lumineuse suite à cette fusion, ce qui signifie qu'il y a peut être une contrepartie électromagnétique. C'est surprenant car les trous noirs et leurs fusions sont normalement invisibles au télescope optique. Pour expliquer cette éruption, les chercheurs proposent que le système aurait gravité autour d'un trou noir supermassif. Le trou noir résultant aurait alors reçu une impulsion suite à la fusion, s'échappant dans une direction qui le fit traverser le disque d'accrétion entourant le trou noir supermassif, générant une éruption.

Bien qu'il soit peu probable que l'évènement GW190521 provienne de la même source que l'éruption lumineuse, les chercheurs n'excluent pas cette possibilité. Selon le postdoctorant Vaishali Adya de l'ANU en poste à OzGrav, "Il existe un certain nombre d'environnements différents dans lesquels ce système de deux trous noirs aurait pu se former et le disque de gaz entourant un trou noir supermassif est certainement l'un d'entre eux. Mais il est également possible que ce système se compose de deux trous noirs primordiaux qui se sont formés au début de l'Univers."

Adya conclut : "Chaque observation que nous faisons de la fusion de deux trous noirs nous donne des informations nouvelles et surprenantes sur la vie des trous noirs dans tout l'Univers. Grâce à nos détections, nous commençons à peupler les zones d'exclusions de trous noirs par des trous noirs "impossibles"."

De nombreuses théories ont été proposées pour expliquer la formation de trous noirs stellaires de plus de ~40 M résultant de la fusion de systèmes binaires mais aucun scénario n'a jusqu'ici été en mesure d'expliquer la diversité des fusions observées ni le cas de GW190521. En 2021, des chercheurs américains ont suggéré que ces trous noirs gagnent de la masse en raison de l'expansion de l'univers. Fait intéressant, leur modèle correspond plutôt bien aux observations. On y reviendra à propos des trous noirs.

GW190814 : une fusion entre un trou noir et un nouveau type d'objet compact ?

Après plus d'un an d'analyse, le 23 juin 2020 les Collaborations LIGO, Virgo et 1256 chercheurs de 203 universités et institutions internationales y compris de Belgique et de France, annonçèrent la détection de l'évènement GW190814 qui fit l'objet d'un article dans les "Astrophysical Journal letters".

Selon les chercheurs, GW190814 est une émission d'ondes gravitationnelles produite par la fusion entre un trou noir de 23 M et un objet compact de 2.6 M. Le spin du trou noir primaire est ≤ 0.07. La source est située à environ 241 Mpc soit ~786 millions d'années-lumière. Les tests de la relativité générale ne révèlent aucun écart mesurable par rapport à la théorie et sa prédiction d'émissions multipolaires est confirmée par l'observation.

Si la différence de masses est importante, ce qui rend cet évènement très inhabituel est que l'objet compact est plus massif qu'une étoile à neutrons mais moins massif que le plus petit trou noir stellaire; en fait il n'entre dans aucune classification connue ! En effet, les modèles astrophysiques prédisent que des binaires avec des rapports de masse similaires à cet évènement peuvent se former de différentes manières. Cependant, selon les chercheurs, "la combinaison du rapport de masse, des masses des composants et du taux de fusion inférés de cet évènement remet en question tous les modèles actuels de formation et de distribution de masse des binaires composées d'objets compacts."

Si cette nouvelle classe d'objet est une étoile à neutrons massive, les théories sur la façon dont elles se forment doivent être révisées. Selon Bernard Schutz de l'Institut Max Planck de physique gravitationnelle (AEI/MPG) à Potsdam, en Allemagne et coauteur de cet article, "Nous ne savons pas grand-chose de la physique nucléaire des étoiles à neutrons. Donc, les personnes qui regardent des équations exotiques qui décrivent ce qui se passe à l'intérieur pourraient penser "peut-être est-ce la preuve que nous pouvons obtenir des étoiles à neutrons beaucoup plus lourdes"."

Le problème est que la physique nucléaire est une science jeune dont les théories ne sont pas complètes et les lois imprécises. Par exemple, les physiciens ne savent toujours pas comment les forces nucléaires opèrent dans les conditions extrêmes régnant au coeur d'une étoile à neutrons. Chaque théorie présente certaines incertitudes qu'on retrouve naturellement dans les modèles.

Selon Sheila Rowan, directrice de l'Institut de recherche gravitationnelle (IGR) à l'Université de Glasgow et également coauteure de cet article, cette découverte nécessite des études complémentaires : "Davantage d'observations et de recherches cosmiques devront être entreprises pour établir si ce nouvel objet est effectivement quelque chose qui n'a jamais été observé auparavant ou s'il s'agit plutôt du trou noir le plus léger jamais détecté." Si rien n'explique la masse élevée de cet objet compact, les astrophysiciens peuvent déjà prévoir des nuits blanches à replancher sur leurs équations.

Et les découvertes se succèdent. Si on comptabilise tous les évènements potentiels enregistrés par LIGO et Virgo au cours de leurs différents run, on arrive à un taux d'un évènement par semaine ! A ce rythme, l'astrophysique sera bouleversée comme jamais auparavant.

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