Les scientifiques ont retracé les origines du plus massif trou noir fusion jamais observée, révélant comment deux géants « impossibles » ont pu se former malgré les hypothèses de longue date selon lesquelles de tels objets ne devraient pas exister.
Ces trous noirs étaient considérés comme « interdits » car on pensait que les étoiles de cette taille s’explosaient elles-mêmes lors d’explosions extrêmement puissantes, ne laissant derrière elles aucun reste susceptible de s’effondrer dans un trou noir.
Les résultats suggèrent également que les trous noirs peuvent se former plus efficacement que ne le pensaient les scientifiques, ce qui pourrait transformer notre compréhension de la façon dont les premières étoiles et trous noirs de l’univers ont donné naissance aux trous noirs supermassifs d’aujourd’hui.
Pourquoi les fusions de trous noirs sont importantes
Les collisions de trous noirs sont devenues l’un des outils les plus importants pour comprendre l’univers.
« Les fusions de trous noirs nous permettent d’observer l’univers non pas à travers la lumière, mais à travers la gravité – via des ondes gravitationnelles produites par la distorsion de l’espace et du temps lorsque les trous noirs s’enroulent en spirale et fusionnent. » Minerai Gottliebprofesseur au Centre d’astrophysique computationnelle qui a dirigé les travaux, a déclaré à Live Science dans un e-mail. Les ondes gravitationnelles offrent une vue rare sur des régions de l’espace où la gravité est si extrême que même la lumière ne peut s’échapper. À partir de la seule forme du signal, les scientifiques peuvent déduire les masses et les rotations des objets en fusion et reconstruire leur formation.
Ces observations testent la théorie d’Einstein de relativité générale là où ses prédictions sont les plus exigeantes, car la courbure de l’espace-temps autour des trous noirs en fusion pousse la théorie dans ses retranchements. Les événements impliquant les trous noirs les plus lourds révèlent également comment les étoiles massives ont vécu et sont mortes au cours du temps cosmique et comment les premiers trous noirs sont devenus les monstres qui siègent aujourd’hui au centre des galaxies.
La fusion de trous noirs la plus massive jamais détectée
Quand détecteurs enregistrés GW231123 en novembre 2023, les astronomes se sont vite rendu compte qu’il se distinguait. Deux énormes objets – d’une masse d’environ 100 et 130 fois la masse du soleil – ont fusionné à plus de 2 milliards d’années-lumière. La surprise a été que les trous noirs de cette taille se situent dans ce que les physiciens appellent « l’écart de masse », une plage comprise entre environ 70 et 140 masses solaires dans laquelle aucun trou noir n’était attendu.
Les étoiles de cette gamme se déchirent généralement lors de violentes explosions de supernova, ne laissant rien derrière elles. Pourtant, GW231123 abritait non pas un, mais deux de ces objets – et tous deux montraient des signes de rotation à des vitesses extrêmes. L’événement impliquait « deux des trous noirs à rotation la plus rapide, indiquant un canal de formation rare de trous noirs massifs et à rotation rapide, qui n’étaient pas censés exister », a déclaré Gottlieb.
Pour comprendre comment de tels trous noirs pourraient se former, l’équipe a créé des simulations détaillées en trois dimensions, à partir de la vie d’une étoile extrêmement massive. Le modèle a suivi un noyau d’hélium d’environ 250 fois la masse du soleil alors qu’il brûlait du carburant, s’effondrait et formait un nouveau trou noir. Des théories antérieures supposaient qu’une telle étoile s’effondrerait en un seul morceau, laissant un trou noir aussi lourd que le noyau d’origine. Mais la nouvelle étude montre que ce n’est pas toujours le cas.
Résoudre l’impossible
Gottlieb et ses collègues ont découvert qu’une rotation rapide change tout.
« Nous avons montré que si l’étoile tourne rapidement, elle forme un disque d’accrétion autour du trou noir nouvellement né », a expliqué Gottlieb. « Les champs magnétiques puissants générés à l’intérieur de ce disque peuvent provoquer de puissants flux sortants qui expulsent une partie du matériau stellaire, l’empêchant de tomber dans le trou noir. » Au lieu d’avaler la totalité du noyau, le jeune trou noir perd l’accès à une grande partie de la matière environnante alors que les forces magnétiques propulsent la matière dans l’espace.
Ce mécanisme réduit la masse finale du reste, le poussant vers le bas dans l’espace de masse – une région que l’on croyait auparavant inaccessible. « En conséquence, la masse finale du trou noir peut être considérablement réduite, atterrissant dans l’écart de masse, une plage que l’on pensait auparavant inaccessible », a déclaré Gottlieb.
Les simulations ont aussi naturellement produit un lien entre la masse et la rotation du trou noir résultant. Des champs magnétiques puissants extraient le moment cinétique, ralentissant ainsi le trou noir tout en éjectant plus de masse. Des champs plus faibles laissent un objet plus massif et tournant plus rapidement. Cette relation correspond étroitement aux propriétés déduites pour les deux trous noirs de GW231123. L’un se formerait dans une étoile avec des champs magnétiques modérés, et l’autre se formerait dans une étoile avec des champs magnétiques plus faibles, créant ainsi une paire avec des masses et des spins finaux différents – exactement ce que suggère le signal des ondes gravitationnelles.
Ce que ces découvertes signifient pour la gravité et l’histoire cosmique
Des événements extrêmes comme GW231123 poussent la relativité générale jusqu’à son point de rupture.
« L’énorme courbure de l’espace et du temps sonde la relativité générale au plus profond de son régime de champ intense le plus extrême, nous permettant de tester si les équations d’Einstein restent exactes lorsque la gravité est à son point le plus extrême », a noté Gottlieb.
Si des événements similaires se produisaient fréquemment dans l’univers primitif, ils auraient façonné la croissance des premiers trous noirs. De telles fusions « impliquent que des trous noirs massifs peuvent se former plus efficacement que ne le prédisent les modèles stellaires actuels », a déclaré Gottlieb. « Cela affecterait notre compréhension de la façon dont la première génération d’étoiles et de trous noirs a engendré les trous noirs supermassifs que nous observons aujourd’hui dans les galaxies. »
Les travaux de l’équipe indiquent une nouvelle voie de formation de trous noirs massifs et prédisent des modèles spécifiques que les astronomes peuvent rechercher. « Notre travail ouvre une nouvelle fenêtre sur la formation de trous noirs dans l’écart de masse, prédisant les trous noirs de première génération (sans fusions précédentes) à toutes les masses », a déclaré Gottlieb. Les futures détections d’ondes gravitationnelles permettront de tester si la corrélation masse-spin trouvée dans les simulations est valable pour de nombreux événements.
« Au fur et à mesure que nous détectons des trous noirs plus massifs, nous serons en mesure de tester la corrélation prévue sur cette population », a déclaré Gottlieb. Ces découvertes pourraient révéler si GW231123 est une rareté cosmique ou le premier signe clair d’une population cachée de trous noirs massifs en rotation rapide.
