mercredi 2 septembre 2020

Détection d'un trou noir de 142 masses solaires par ses ondes gravitationnelles de fusion


C’est du très lourd ! Les collaborations LIGO et Virgo (encore elles) viennent de publier la découverte aujourd’hui du plus gros trou noir issu d’une fusion, et ce trou noir est le premier à dépasser le seuil des 100 masses solaires, ce qui signifie que c’est le premier trou noir de masse intermédiaire qui est clairement identifié, une graine de trou noir supermassif… Deux études sont publiées simultanément, la première sur la détection dans Physical Review Letters et la seconde sur les implications astrophysiques de cette découverte dans The Astrophysical Journal Letters


Les deux composantes de cette méga-fusion nommée GW190521 sont des trous noirs déjà très massifs, déjà plus massifs que les 10 trous noirs qui ont résultés des précédentes fusions qui ont pu être détectées depuis 5 ans avec les interféromètres LIGO et Virgo : 66 et 85 masses solaires ! C’est énorme et bien trop massif pour de simples trous noirs stellaires. Le trou noir résultant fait la bagatelle de 142 masses solaires, ce qui signifie si vous faites la différence que l’énergie emportée par les ondes gravitationnelles de cette coalescence est égale à l’énergie de masse de 8 Soleils ! Du jamais vu. C’est le train d’ondes gravitationnelles le plus énergétique jamais observé. Et ce train d’ondes a été très très bref, au contraire des signaux détectés jusque là. Il n’a duré qu’un dixième de seconde. 
La distance de trajet lumière de l'événement est de 7 milliards d'années-lumière (un redshift de 0,82) : les deux trous noirs ont fusionnés dans un Univers où notre système solaire n'existait pas encore... 
Avec les incertitudes, les valeurs de masses donnent 85 (+21/−14) M⊙ et 66 (+17/−18) M⊙ pour une masse résiduelle égale à 142 (+28/−16) M⊙.
Concernant les spins des deux composantes et du trou noir résultant, ils valent respectivement 0,69 et 0,73 (avec des incertitudes importantes) et 0,72 avec une incerittude de l'ordre de 0,1 pour ce dernier, ce qui est une bonne précision pour le trou noir résultant de plus de 140 masses solaires.

Les trous noirs dits de masse intermédiaire sont ceux qui font entre 100 et 10000 masses solaires. Ce nouveau venu fait donc partie de cette classe de trous noirs qui forme la population intermédiaire entre les trous noirs produits lors des explosions d’étoiles et les trous noirs supermassifs qu’on retrouve au centre des galaxies.
L’effondrement d’une étoile même très massive ne peut pas produire un trou noir de 85 masses solaires. Il existe en effet une zone de masse « interdite » théoriquement que les spécialistes appellent un « mass gap » située entre 65 et 135 masses solaires. Au-dessus de 135 masses solaires, c’est possible par le processus d’effondrement direct de l’étoile, mais entre 65 et 135 masses solaires, le phénomène d’instabilité de paires qui perturbe fortement l’effondrement gravitationnel par un emballement de la production de photons gamma via la création de paires électrons-positrons empêche la création d’un trou noir par une accélération des fusions thermonucléaires. L’existence de l’un de ces deux trous noirs faisant 85 masses solaires est donc une belle preuve qu’il provient d’une fusion de trous noirs antérieure. Et on peut penser que son compagnon situé à la limite de 65 masses solaires avait la même origine.

GW190521 montre donc deux découvertes majeures en un seul événement : détection formelle d'un trou noir de masse intermédiaire et détection d'un trou noir dans la plage de masse interdite. Les deux scénarios proposés pour expliquer l’existence d’un tel système binaire de trous noirs fait appel pour le premier au collapse de deux étoiles qui vivaient ensemble auparavant, mais comme on l’a vu, cela nécessiterait de revoir fortement nos modèles théoriques du fonctionnement des étoiles et des supernovas. Les chercheurs indiquent qu’en modifiant le taux d’une seule réaction nucléaire (en la diminuant) : la réaction nucléaire qui transforme par fusion du carbone-12 en oxygène-16, la limite supérieure de la zone de masse interdite pourrait être relevée suffisamment pour entrevoir la possibilité d’un trou noir de 85 masses solaires.... Le second scénario, sans doute plus probable propose donc qu’au moins le trou noir de 85 masses solaires soit lui-même le produit d’une fusion de deux trous noirs plus petits. Dans ce cas, le système binaire formé du trou noir de 85 masses solaires et du trou noir de 65 masses solaires se serait formé par interaction gravitationnelle.
Ce second scénario semble préféré (mais pas encore complètement définitif dans les études des collaborations de physiciens et astrophysiciens), car les axes de rotation des deux trous noirs ont pu être déduits du signal des ondes gravitationnelles et ils apparaissent tous les deux désalignés par rapport à la perpendiculaire au plan de l'orbite du couple et leur orbite serait affectée d'une précession. Or c’est ce qui est attendu dans le cas d’une capture gravitationnelle, au contraire d’une ancien couple d’étoiles qui aurait dû montrer un alignement des deux spins.



Et il y a encore mieux ! Il est possible qu’une contrepartie électromagnétique ait été détectée. Le télescope du Zwicky Transient Facility a en effet détecté une éruption soudaine en provenance de la région où a été observée GW190521, mais 35 jours plus tard. Selon les astrophysiciens, il est possible que cette éruption soit le fruit de l’échauffement intense du gaz environnant le trou noir résultant produit par l’onde de choc de la fusion. Cela voudrait dire que cette fusion aurait eu lieu plutôt dans le disque d’un noyau actif de galaxie, là où justement il serait logique de trouver de nombreux trous noirs de grande masse et notamment des trous noirs de seconde génération ayant déjà subi une ou plusieurs fusions...
De futures détections de trous noirs de masse intermédiaire nous donneront des indications sur le grossissement des trous noirs supermassifs et le fait d’en avoir détecté un directement pour la première fois est à n'en pas douter un grand pas. Les améliorations des interféromètres américains et européens et l'ajout du japonais KAGRA devraient permettre dans les années qui viennent de détecter plusieurs centaines de fusions de trous noirs par an, ce qui veut dire de l'ordre de une par jour!.. 


 Sources

GW190521: A binary black hole merger with a total mass of 150M
R. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 125, 101102 (2020)

Properties and astrophysical implications of the 150M binary black hole merger GW90521B.
P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
The Astrophysical Journal Letters 900, L13 (2020)

Illustrations