Virgo et LIGO annoncent la détection de la fusion d'un couple de trous noirs extraordinairement massifs : deux trous noirs de 66 et 85 masses solaires, qui ont généré un trou noir d'environ 142 masses solaires. Le trou noir final est le plus massif jamais détecté en ondes gravitationnelles. Il se situe dans une plage de masse à l'intérieur de laquelle aucun trou noir n'avait jamais été observé, que ce soit via des ondes gravitationnelles ou via des observations électromagnétiques. Cet événement pourrait aider à expliquer la formation de trous noirs supermassifs. De plus, la composante la plus massive du système réside dans une gamme de masse interdite par la théorie de l'évolution stellaire, ce qui remet en question notre compréhension des étapes finales de la vie des étoiles massives.
Les scientifiques des collaborations internationales responsables des détecteurs Advanced Virgo, à l'Observatoire gravitationnel européen (EGO, en Italie), et des deux Advanced LIGO, aux États-Unis, ont annoncé la détection d'un trou noir d'environ 142 masses solaires résultant de la fusion de deux trous noirs de 66 et 85 masses solaires. Jamais aucun trou noir n’avait encore été observé avec de telles masses, que ce soit en ondes gravitationnelles ou par des observations électromagnétiques. L'événement a été vu par les trois interféromètres le 21 mai 2019. Le signal (nommé GW190521) a été analysé par les scientifiques, qui estiment la distance de luminosité de la source à environ 17 milliards d'années-lumière de la Terre. Deux articles scientifiques rapportant la découverte et ses implications astrophysiques paraissent aujourd'hui, respectivement dans Physical Review Letters et dans Astrophysical Journal Letters.
« Le signal observé le 21 mai de l'année dernière est complexe et, les deux trous noirs fusionnant étant si massifs, nous ne les avons observés que pendant un bref instant, environ 0,1 seconde », explique Nelson Christensen, directeur de recherche CNRS au laboratoire ARTEMIS (CNRS-UCA-OCA) à l’Observatoire de la Côte d’Azur, à Nice, et membre de la Collaboration Virgo. « Cela ne ressemble pas beaucoup à un gazouillis, ce que nous détectons généralement : c'est plutôt quelque chose comme un " bang ". Le système qui l'a généré est le plus massif que LIGO et Virgo aient détecté jusqu'à présent. » En effet, l'analyse du signal, basée sur des outils de calcul et de modélisation à la pointe de ce que l’on sait faire dans le domaine, a révélé une grande quantité d'informations sur les différentes étapes de cette fusion extraordinaire.
Le fait de battre le record de masse des détections de Virgo et LIGO n'est qu'une des nombreuses particularités qui font de la détection de cette fusion de deux trous noirs une découverte sans précédent. Ce qui a tout de suite attiré l’attention des astrophysiciens, est que le trou noir résiduel, avec ses 142 masses solaires, appartient à la classe des « trous noirs de masse intermédiaire » (de cent à cent mille masses solaires). Cette classe de trous noirs est liée à une énigme fascinante et difficile pour les astrophysiciens et les cosmologistes : l'origine des trous noirs supermassifs. Ces monstres géants, des millions à des milliards de fois plus lourds que le soleil, se trouvant souvent au centre des galaxies, pourraient résulter de la fusion successive de trous noirs de masse intermédiaire « plus petits ».
Mais au jour d’aujourd'hui, très peu de candidats de trous noirs de masse intermédiaire ont été identifiés, et la gamme de cent à mille masses solaires constitue un vrai « désert des trous noirs », en raison de leur rareté. Le trou noir résiduel de GW190521 présente un intérêt majeur, car il se situe précisément dans cette gamme. Les composants et la dynamique du système binaire GW190521 offrent aussi des perspectives astrophysiques hors du commun. Le trou noir le plus massif du couple interpelle les modèles décrivant l'effondrement en trous noirs des étoiles les plus lourdes, à la fin de leur vie. Selon ces modèles, ces étoiles très massives sont complètement détruites par l'explosion de la supernova, en raison d'un processus appelé « instabilité de paires », et elles ne laissent derrière elles que du gaz et de la poussière cosmique. Par conséquent, les astrophysiciens ne s'attendaient pas à observer un trou noir possédant une masse comprise entre 60 et 120 masses solaires : avec ses 85 masses solaires, le composant le plus massif de GW190521 se situe exactement dans cette plage de masse. Ainsi cette détection ouvre de nouveaux horizons à l'étude des étoiles massives et des mécanismes d’explosion des supernovas.
« Plusieurs scénarios prédisent la formation de trous noirs dans la zone interdite à cause de l'instabilité de paires : ils pourraient résulter de la fusion de trous noirs plus petits ou de la collision d'étoiles massives (multiples) ou encore de processus plus exotiques », explique Michela Mapelli, professeur à l'Université de Padoue, membre de l'INFN et de la collaboration Virgo. « Cependant, il est vrai qu’il est également possible que nous devions revoir notre compréhension actuelle des dernières étapes de la vie de l'étoile et des contraintes de masse qui en résultent sur la formation des trous noirs. Quoi qu'il en soit, GW190521 est une contribution majeure à l'étude de la formation des trous noirs. »
En effet, GW190521 met en évidence l'existence de populations de trous noirs jamais observées auparavant ou inattendues et, ce faisant, soulève de nouvelles questions intrigantes sur leurs mécanismes de formation. Malgré la durée inhabituellement courte du signal, qui limite notre capacité à déduire les propriétés astrophysiques de la source, les analyses et modèles les plus avancés actuellement disponibles suggèrent que les trous noirs initiaux avaient de forts spins, c'est-à-dire qu'ils tournaient rapidement sur eux-mêmes. « Le signal montre des indices de précession, une rotation du plan orbital produit par des spins de grande magnitude et d'orientation particulière », déclare Tito Dal Canton, chercheur CNRS à l'IJC Lab à Orsay, et membre de la Collaboration Virgo. « L'effet est faible et nous ne pouvons pas affirmer qu'il est présent de façon certaine, mais si c’est le cas, cela renforcerait l'hypothèse que ces deux trous noirs progéniteurs sont apparus et ont vécu dans un environnement cosmique très fragile et encombré, comme un amas d'étoiles dense, ou le disque d'accrétion d’un Noyau Actif de Galaxie. »
Plusieurs scénarios différents sont compatibles avec ces résultats, et même l'hypothèse selon laquelle les progéniteurs de la fusion pourraient être des trous noirs primordiaux n'a pas été écartée par les scientifiques. Nous estimons en fait que cette fusion s'est produite il y a environ 7 milliards d'années, à une époque proche des âges anciens de l'Univers. Par rapport aux précédentes détections d'ondes gravitationnelles, le signal GW190521 observé dure très peu de temps et il est plus difficile à analyser. En raison de la nature plus complexe de ce signal, d'autres scénarios plus exotiques ont été considérés : ils sont décrits dans une publication d'accompagnement. Cependant, elles sont moins probables que la fusion d’une binaire de trous noirs.
« Les observations faites par Virgo et LIGO éclairent l'univers sombre et définissent un nouveau paysage cosmique », déclare Giovanni Losurdo, directeur de recherche à l’INFN à Pise et porte-parole de Virgo. « Et aujourd'hui, encore une fois, nous annonçons une découverte sans précédent. Nous continuons d'améliorer nos détecteurs pour améliorer leurs performances et regarder de plus en plus loin dans l'Univers. »
Informations additionnelles
La collaboration Virgo est actuellement composée d'environ 580 membres provenant de 109 instituts dans 13 pays différents : la Belgique, la France, l'Allemagne, la Grèce, la Hongrie, l'Irlande, l'Italie, les Pays-Bas, la Pologne, le Portugal, l'Espagne, Monaco et le Japon. L'Observatoire gravitationnel européen (EGO) héberge le détecteur Virgo près de Pise en Italie et est financé par le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) en France, l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italie et Nikhef aux Pays-Bas. La liste des groupes de Virgo est disponible à l'adresse http://public.virgo-gw.eu/the-virgo-collaboration/. De plus amples informations sont disponibles sur le site Web de Virgo à l'adresse http://www.virgo-gw.eu. LIGO est financé par la National Science Foundation (NSF) et géré par Caltech et le MIT, qui a conçu LIGO et dirigé le projet. Le soutien financier pour le projet Advanced LIGO a été dirigé par la NSF, l'Allemagne (Max Planck Society), le Royaume-Uni (Science and Technology Facilities Council) et l'Australie (Australian Research Council-OzGrav) qui ont pris des engagements et ont eu des contributions significatives. Environ 1 300 scientifiques du monde entier participent à la collaboration LIGO, qui comprend aussi la collaboration GEO. Une liste de partenaires supplémentaires est disponible à l'adresse https://my.ligo.org/census.php. Le laboratoire ARTEMIS (CNRS-OCA-UCA) comprend aujourd’hui environ 40 personnes dont des étudiants en thèse ou post-doctorants et visiteurs étrangers. Il comprend des spécialistes de lasers et d’optique, de mécanique, d’électronique, d’analyse du signal, d’astronomie, de physique théorique. Le laboratoire a été créé par Catherine Nary Man, Jean-Yves Vinet et Alain Brillet (Médaille d’or du CNRS), pour développer Virgo et la détection des ondes gravitationnelles. Il est dirigé par Nelson Christensen.
Ressources multimédia
D’autres ressources, notamment des communiqués de presse, des illustrations, des films et les journaux eux-mêmes à cette adresse :
https://drive.google.com/drive/folders/1dTqtLbQbj3bp41M0nvXxhj3T7urUVDDA
et deux interviews de Nelson Christensen
https://www.bloomberg.com/news/videos/2020-09-03/two-merging-black-holes-discovered-video
dans l'interview suivante sur France Culture, les auditeurs auront réctifié que l'âge de l'Univers est bien de 13.8 milliards d'années et non 30.8 :-).
Une interview de Marie Anne Bizouard sur Franceinfo :
Références
- L'article de la découverte ; https://dcc.ligo.org/DocDB/0165/P2000020/012/LS17910.pdf
- et le matériel supplémentaire qui l'accompagne https://dcc.ligo.org/DocDB/0165/P2000020/012/SupplementalMaterial.pdf
- les implications de la découverte : https://dcc.ligo.org/DocDB/0165/P2000021/012/gw190521-implications-main_20200901.pdf
Contact
Nelson Christensen
ARTEMIS CNRS – Observatoire de la Côte d’Azur – Université Côte d’Azur
+33 4 92 00 31 66
Nelson.Christensen@oca.eu
