Une fusion « impossible » de trous noirs pourrait enfin être résolue grâce à la relativité d’Einstein – mais elle soulève un mystère encore plus grand

Les astronomes soupçonnent qu’une variation inédite d’un phénomène spatio-temporel pourrait expliquer un phénomène « impossible ». trou noir fusion qui a intrigué les experts pendant des années. Mais si leur théorie est vraie, cela crée un tout nouveau mystère à résoudre.

Le 23 novembre 2023, les deux moitiés de l’Observatoire des ondes gravitationnelles de l’interféromètre laser (LIGO) – situé à Washington et en Louisiane – ont détecté un ensemble inhabituel d’ondes gravitationnelles. Ces ondulations dans le tissu de espace-temps peut être déclenché par certains des événements les plus puissants de l’universcomme les étoiles qui explosent et étoiles à neutrons en rotation rapide. Mais dans ce cas, le signal, baptisé GW231123provient d’une paire de trous noirs en collision à environ 2 milliards d’années-lumière de la Terre.

La fusion a également fait des vagues dans les médias puisque la collision de trous noirs la plus massive à ce jourles deux trous noirs parents donnant naissance à une singularité environ 230 fois plus massive que le soleil. Le seul problème est que les trous noirs en collision – qui pesaient respectivement 100 et 130 masses solaires – sont trop grands pour être expliqués par notre compréhension actuelle de l’univers.

Les deux hommes vivent dans ce que les astronomes appellent un « écart de masse », ce qui signifie qu’ils sont trop grands pour être des trous noirs de masse stellaire, créés par l’effondrement d’étoiles, mais ils sont plus petits que les trous noirs de masse intermédiaire, que nous connaissons. je ne comprends toujours pas complètement. Pour ajouter à l’étrangeté, les trous noirs tournaient beaucoup plus vite que prévu lorsqu’ils se sont écrasés.

Les chercheurs ont avancé plusieurs explications potentielles aux tailles « interdites » des trous noirs. Une étude publiée l’année dernière a proposé une nouvelle voie par laquelle des singularités de cette taille pourraient se former: via l’effondrement d’étoiles plus grosses qui autrement exploseraient en supernovas. Cependant, cette idée va à l’encontre de nombreuses preuves observationnelles antérieures.

Maintenant, dans une étude publiée le 25 août dans Les lettres du journal astrophysiqueles chercheurs proposent une explication plus simple, mais tout aussi intrigante, pour GW231123. Ils suggèrent que le signal de la fusion a été déformé par un étrange phénomène spatio-temporel appelé lentille gravitationnelle, qui se produit lorsque des émissions lointaines traversent des zones d’espace-temps déformées courbées par la gravité d’objets massifs au premier plan.

Il a été démontré que cet effet grossissait ou déformait les sources de lumière distantes à plusieurs reprises auparavant. Cependant, jusqu’à présent, les chercheurs n’avaient trouvé aucune preuve que la lentille gravitationnelle puisse se produire sur des ondulations dans l’espace-temps.

« Comme la lumière, les ondes gravitationnelles peuvent également être déviées, agrandies et divisées en plusieurs signaux par des objets massifs », co-auteur de l’étude Miguel Zumalacárreguiastrophysicien à l’Institut Max Planck de physique gravitationnelle en Allemagne, a déclaré dans un communiqué déclaration. « Pour les ondes gravitationnelles, les effets de diffraction et d’interférence nous offrent un moyen supplémentaire d’identifier et d’étudier les signaux cristallins. »

Grossissement cosmique

L’idée de la lentille gravitationnelle a été proposé pour la première fois en 1915 par Albert Einsteinla théorie générale de relativitéqui affirme que la gravité des objets massifs, tels que les galaxies ou les trous noirs, déforme l’espace-temps qui les entoure. Si un tel objet est positionné directement entre la Terre et un autre objet plus éloigné, alors la lumière de l’entité lointaine peut traverser l’espace-temps déformé, se courbant efficacement autour de l’objet du milieu. En conséquence, la lumière peut être amplifiée, diffractée ou modifiée d’une autre manière, tout comme elle le ferait en passant à travers une lentille en verre.

Cet effet peut créer des spectacles époustouflants, notamment des halos de lumière connus sous le nom d’anneaux d’Einstein, structures inhabituelles en forme de croixet plusieurs copies d’une seule source de lumière. En étudiant ces curiosités lumineuses, les chercheurs peuvent peser les objets lentilles, révélant ainsi des divergences cachées causées par des phénomènes invisibles. matière noire et en fournissant l’un de nos meilleures méthodes pour étudier cette substance insaisissable.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont modélisé la façon dont les ondes gravitationnelles pourraient être modifiées par un objet lentille. Ils ont découvert que le signal GW231123 aurait pu être amplifié, ce qui aurait grandement exagéré les masses des trous noirs impliqués.

« Si nous supposons que GW231123 a été dévié et déformé par un objet compact d’environ 190 à 850 masses solaires – ou par une structure étendue telle qu’un amas globulaire — nous pouvons comprendre les masses élevées observées », a déclaré le premier auteur de l’étude. Srashti Goyalchercheur postdoctoral à l’Institut Max Planck de physique gravitationnelle, a déclaré dans le communiqué. « De plus, l’interprétation par lentille ne nécessite pas de spins inhabituellement élevés. »

En tenant compte de cela, la masse totale du trou noir nouvellement fusionné serait d’environ 140 masses solaires au lieu des 230 masses solaires initialement mesurées par les chercheurs, ce qui signifie que les trous noirs en collision qui l’ont formé ne résident plus dans l’écart de masse problématique. Cela suggère également que le trou noir pourrait être encore plus éloigné de la Terre que ne le pensaient les astronomes.

Cependant, bien que la lentille des ondes gravitationnelles soit théoriquement possible, elle n’a jamais été vue auparavant. La nouvelle étude est également purement théorique – les chercheurs n’ont aucune preuve directe de l’existence d’une lentille, comme un anneau d’Einstein qui l’accompagne – donc des travaux supplémentaires sont nécessaires pour montrer que cela pourrait être ce qui s’est produit ici, ont noté les chercheurs.

Un nouveau mystère

La nouvelle théorie pourrait enfin mettre fin au mystère de GW231123. Mais ce faisant, cela soulève une autre question intrigante : qu’est-ce qui a déclenché ce signal déroutant ?

Dans la plupart des cas de lumière lentille gravitationnellement, l’objet lentille est quelque chose d’énorme, comme une galaxie, qui peut être des milliards de fois plus massive que le soleil. Mais les modèles des chercheurs suggèrent que tout objet de lentille potentiel ici doit être beaucoup plus petit, et ils n’ont pas été en mesure de repérer quoi que ce soit qui corresponde entre la Terre et le point d’origine de GW231123.

« La nature de la lentille reste un mystère majeur dans notre analyse, car les lentilles compactes individuelles avec 100 à 1 000 masses solaires devraient être extrêmement rares », a déclaré Zumalacárregui. « Les travaux futurs devront déterminer si de telles lentilles peuvent se former, ou si un ensemble d’objets plus légers, y compris des étoiles, peut expliquer cet événement.

Si l’équipe parvient à comprendre ce qui a pu amplifier le signal et à prouver que les ondulations spatio-temporelles ont été déformées, cela pourrait être une transformation pour l’astronomie future. Si les ondes gravitationnelles peuvent être captées, cela ouvre la possibilité d’étudier d’anciennes fusions de trous noirs ou des événements cosmiques similaires qui autrement seraient trop éloignés pour que nous puissions les détecter. Les chercheurs pensent également que l’analyse des schémas de diffraction de ces signaux pourrait fournir davantage d’indices sur l’identité insaisissable de la matière noire.