An illustration of merging black holes within the boundary of a supermassive black hole

Les ondes gravitationnelles offrent un «test d’ADN cosmique» pour les trous noirs

Par Anissa Chauvin

Vous pouvez en dire beaucoup sur l’ascendance d’un être humain de leurs caractéristiques générales. Un enfant peut avoir les yeux de leur père, le sourire de sa mère, ou peut-être même la calvitie masculine de leur grand-père (merci, grand-père).

Cependant, les trous noirs ont peu de caractéristiques déterminantes – comme le disaient le physicien théorique John Wheeler, « les trous noirs n’ont pas de cheveux » (un peu comme votre humble auteur). Bien sûr, cependant, tester la parents d’un enfant basé sur des caractéristiques physiques est beaucoup trop subjectif – c’est généralement là que les tests ADN arrivent. trous noirs.

Plutôt que de s’appuyer sur un écouvillonnage à la joue ou un peu de sang, ces tests d’ADN cosmiques utilisent de minuscules ondulations dans le tissu de l’espace-temps appelé ondes gravitationnelles, proposée pour la première fois par Albert Einstein il y a 110 ans.

Une équipe de scientifiques, dirigée par des chercheurs de l’Université de Cardiff, a découvert que l’ascendance de trous noirs supermassives qui se forment à partir d’une chaîne de fusion de trous noirs progéniteurs progressivement plus grands pourraient être cachés dans leurs rotations ou «tours».

De plus, la méthode de l’équipe suggère que les modèles de spin de ces trous noirs pourraient révéler la région de l’espace dans laquelle ils sont nés. Même les tests d’ADN humain ne peuvent pas vous dire dans quel hôpital un bébé a été livré!

Les ondes gravitationnelles, détectées par des installations comme l’interféromètre laser, l’observatoire à ondes gravitationnelles (LIGO) et l’Observatoire de la Vierge, pourrait être utilisée pour « lire » ces informations comme l’écriture sur un certificat de naissance.

« Notre étude nous donne une manière puissante et axée sur les données d’identifier les origines de l’histoire de la formation d’un trou noir, montrant que la façon dont elle tourne est un indicateur fort de celui-ci appartenant à un groupe de trous noirs de masse haute, qui se forment en densément Des grappes d’étoiles peuplées où de petits trous noirs entrent en collision à plusieurs reprises et fusionnent les uns avec les autres « , a déclaré Isobel Romero-Shaw, membre de l’équipe et chercheur de l’Université de Cambridge, dans un communiqué.

Arbres familiaux de trou noir

Black Hole Ancestry est devenu une question curieuse pour les scientifiques quand ils ont découvert que certains trous noirs sont tout simplement trop massifs pour avoir été engendré de la manière habituelle: via une étoile mourante.

Des trous noirs de masse stellaire avec des masses comprises entre 10 et 100 fois celles du soleil naissent lorsque les étoiles sont beaucoup plus massives que le soleil à court de carburant nécessaire à la fusion nucléaire dans leurs noyaux. Par la suite, ces étoiles s’effondrent sous l’influence de leur propre gravité.

Les trous noirs supermassifs, cependant, ont des masses équivalentes à des millions, voire à des milliards de soleil. Aucune étoile ne peut s’effondrer pour former un trou noir aussi massif, conduisant à la théorie qu’ils forment à partir de fusions de trous noirs plus petits.

La première détection d’ondes gravitationnelles par la fusion de trous noirs a été réalisée par Ligo et Vierge en 2015, 100 ans après que Einstein les ait prédits dans sa théorie de la gravité, connue sous le nom de relativité générale. Ceci et la richesse des fusions « entendus » par ces installations ont depuis aidé à confirmer cette théorie de la « croissance par fusion ».

La relativité générale prédit que les objets avec la masse provoquent le tissu de l’espace et le temps, ou l’espace-temps, à « déformer ». La gravité découle de cette déformation.

Einstein a également prédit que lorsque les objets s’accélèrent dans l’espace-temps, cela provoque des ondulations qui rayonnent vers l’extérieur à la vitesse de la lumière. Cependant, ces soi-disant ondes gravitationnelles ne sont détectables que lorsque les objets impliqués sont vraiment massifs – et les trous noirs correspondent à la facture. La fusion des trous noirs est intrinsèquement liée à l’émission d’ondes gravitationnelles.

Une fois que les trous noirs sont suffisamment proches pour former un binaire car ils tourbillonnent les uns autour des autres, cette accélération constante (l’accélération est un changement de vitesse et Direction, donc le mouvement circulaire représente l’accélération perpétuelle) définit le tissu de la sonnerie d’espace-temps avec des ondes gravitationnelles.

Comme ces systèmes binaires émettent des ondes gravitationnelles, ces ondulations dans l’espace-temps emportent un moment angulaire. Cela provoque le resserrer le binaire. En d’autres termes, les trous noirs se rapprochent.

Cela fait que les trous noirs binaires émettent des ondes gravitationnelles de plus en plus rapidement ou à des fréquences croissantes, ce qui signifie qu’elles se rapprochent de plus en plus. Cela continue jusqu’à ce que la gravité mutuelle de ces trous noirs prenne le relais et qu’ils soient forcés ensemble, entre en collision et en fusion.

Cette fusion crée un trou noir plus massif que celle de ses parents mais pas tout à fait le total de leurs masses en raison d’une perte de masse dans un « cri » à haute fréquence de vagues gravitationnelles.

« Alors que nous observons plus de fusions de trous noirs avec des détecteurs d’ondes gravitationnels comme Ligo et Virgo, il devient de plus en plus clair que les trous noirs présentent des masses et des spins diverses, suggérant qu’ils ont peut-être formé de différentes manières », a déclaré le chef d’équipe Fabio Antonini de la School of Physics de l’Université de Cardiff de Cardiff de la Physic Et l’astronomie a dit dans le communiqué. « Cependant, l’identification de laquelle de ces scénarios de formation est le plus courant a été difficile. »

Pour démêler ce mystère, l’équipe a examiné les données concernant 69 événements d’ondes gravitationnelles détectées par Ligo et Virgo.

Ce qu’ils ont découvert, c’est que le rotation d’un trou noir change lorsque ce trou noir atteint une certaine masse. Cela représente un seuil de masse clair auquel le rotation des trous noirs change constamment. Le modèle découvert par l’équipe correspond à des modèles qui suggèrent que les trous noirs se développent grâce à des collisions répétées dans des grappes d’étoiles densément emballées.

En utilisant les résultats, les scientifiques peuvent désormais affiner les techniques de modélisation informatique utilisées pour simuler la formation et la croissance des trous noirs.

Lorsque de futurs signaux d’ondes gravitationnelles sont détectés par des installations comme LIGO, Virgo, l’observatoire d’ondes gravitationnelles souterraines proposé connu sous le nom de télescope Einstein, et le détecteur d’ondes gravitationnel à venir Lisa (antenne spatiale interféromètre laser), de tels modèles raffinés peuvent être utilisés pour mieux interpréter ces signaux.

« La collaboration avec d’autres chercheurs et l’utilisation de méthodes statistiques avancées aideront à confirmer et à étendre nos résultats, d’autant plus que nous nous dirigeons vers des détecteurs de nouvelle génération », a déclaré Thomas Callister, membre de l’équipe et chercheur de l’Université de Chicago, dans le communiqué. « Le télescope Einstein, par exemple, pourrait détecter des trous noirs encore plus massifs et fournir des informations sans précédent sur leurs origines. »

Les recherches de l’équipe ont été publiées mardi 7 janvier dans la revue Physical Review Letters.

Publié à l’origine sur Space.com.

Anissa Chauvin