Un trou noir de 143 masses solaires a été détecté grâce aux ondes gravitationnelles

Concept d’artiste d’un trou noir supermassif et de son disque de gaz environnant. Ce disque contient deux petits trous noirs en orbite, sur le point de fusionner

Les interféromètres gravitationnels Ligo et Virgo ont détecté un trou noir ayant la masse de 142 soleils, issu de la fusion de deux trous noirs de 85 et 65 fois la masse du Soleil. Le trou noir résultant est le plus lourd jamais observé par ondes gravitationnelles.

La découverte, à laquelle ont contribué plusieurs équipes du CNRS au sein de la collaboration Virgo, est publiée le 2 septembre 2020 dans les revues Physical Review Letters et Astrophysical Journal Letters.

GW190521, le signal enregistré le 21 mai 2019 par les instruments Ligo et Virgo, sort du lot des détections récentes car il est non seulement le plus distant et donc le plus ancien (l’onde gravitationnelle a mis 7 milliards d’années à nous atteindre), mais le trou noir qui résulte de la fusion est aussi le plus lourd jamais observé jusqu’ici.

Cette observation est aussi la première preuve directe de l’existence de trous noirs dits « de masse intermédiaire » (entre 100 et 100000 fois plus massifs que le Soleil). Ces derniers sont plus lourds que ceux issus de l’effondrement d’étoiles massives mais beaucoup plus légers que les trous noirs supermassifs logés au centre de certaines galaxies. Jusqu’à présent, seules des preuves indirectes obtenues grâce aux observations électromagnétiques laissaient présager leur existence.

Les trous noirs de masse intermédiaire sont intéressants car ils pourraient être la clef d’une des énigmes de l’astrophysique et de la cosmologie : l’origine des trous noirs supermassifs. Si la question est encore largement ouverte, l’un des scénarios proposés pour expliquer la naissance de ces monstres cosmiques est justement la fusion à répétition de trous noirs de masse intermédiaire.

Les trous noirs dont on a observé la fusion, avec leur masse d’environ 65 et 85 fois celle du Soleil, intriguent les astrophysiciens. En effet, d’après les connaissances actuelles, l’effondrement gravitationnel d’une étoile ne peut pas former de trous noirs entre environ 60 et 120 masses solaires car les étoiles les plus massives sont complètement soufflées par l’explosion en supernova qui accompagne cet effondrement, ne laissant derrière elles que gaz et poussière.

Par rapport aux détections précédentes, le signal GW190521 observé par Ligo et Virgo est très court et plus difficile à analyser. À cause de sa nature plus complexe, d’autres sources plus exotiques ont été envisagées pour l’expliquer, et ces possibilités sont décrites dans l’article publié par Astrophysical Journal Letters. La source la plus plausible de cette onde gravitationnelle reste la fusion de deux trous noirs mais on ne peut pas exclure les autres possibilités.

Détail intéressant

Au moment de l’évènement gravitationnel détecté par LIGO et Virgo, Zwicky Transient Facility (ZTF) de Caltech, qui se situe à l’Observatoire Palomar près de San Diego, effectuait son étude robotique du ciel (dont l’objectif est de capturer toutes sortes d’objets célestes dont la luminosité est variable ou qui envoient des flashs de lumière dans le ciel nocturne). Un éclat de lumière généré par un trou noir supermassif actif distant, ou quasar, appelé J1249 + 3449, a été localisé dans la région de l’événement d’onde gravitationnelle détecté par LIGO et VIRGO.

L’équipe de ZTF n’a pas détecté immédiatement cet évènement mais les scientifiques ont regardé les archives des mois plus tard et ont trouvé ce signal qui s’est produit quelques jours après la détection des ondes gravitationnelles .

Leur étude a été publiée le 25 juin 2020 dans Physical Review Letters

Source : Communiqué de presse du CNRS et Zwicky Transient Facility

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