Des scientifiques de l’UBC aident à détecter la collision de trous noirs la plus massive jamais observée

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Des scientifiques de l’UBC aident à détecter la collision de trous noirs la plus massive jamais observée

Une équipe internationale de chercheurs, y compris des scientifiques du groupe d’astrophysique des ondes gravitationnelles de l’Université de la Colombie-Britannique, a détecté un signal de ce qui pourrait être la fusion de trous noirs la plus massive jamais observée. La découverte, décrite dans des articles publiés aujourd’hui dans Physical Review Letters et The Astrophysical Journal, soulève une multitude de nouvelles questions sur la nature de la formation des trous noirs et bouleverse les théories antérieures sur la façon dont les grands trous peuvent se former.

Le 21 mai 2019, les détecteurs de l’observatoire à ondes gravitationnelles à interféromètre laser (LIGO) aux États-Unis et l’interféromètre Virgo en Italie ont capté le signal d’une onde gravitationnelle – une ondulation dans la courbure de l’espace-temps causée par un événement cosmique cataclysmique. Le signal, nommé GW190521, était de durée plus courte et culminait à une fréquence plus basse que toute autre fusion binaire de trous noirs observée à ce jour.

L’analyse des données a révélé que le signal de 0,1 seconde provenait de la fusion de deux trous noirs – le premier environ 85 fois plus massif que le soleil, et le second mesurant environ 65 fois la masse du soleil. Le smash-up spectaculaire a créé un trou noir encore plus massif, d’environ 142 masses solaires, avec une énorme quantité d’énergie équivalente à environ huit masses solaires, qui a été projetée à travers l’univers sous la forme d’ondes gravitationnelles.

«Quand j’ai vu la forme de ce signal pour la première fois, j’étais un peu inquiet. Il ressemblait assez au bruit des détecteurs LIGO courants », a déclaré le co-auteur Jess McIver, professeur adjoint de physique et d’astronomie, qui dirige le groupe d’astrophysique des ondes gravitationnelles de l’UBC et l’équipe internationale de caractérisation des détecteurs LIGO. «Mais comme nous l’avons analysé et vu à quel point les données étaient cohérentes entre les détecteurs, et pendant que nous travaillions sur tous nos capteurs environnementaux et nos contrôles habituels pour nous assurer qu’il n’y avait rien qui aurait pu se propager à travers la terre qui pourrait imiter cela , nous avons pu le confirmer.

GW190521 a été généré par une source située à environ cinq gigaparsecs, soit à environ 17 milliards d’années-lumière de la Terre, ce qui en fait la source d’ondes gravitationnelles la plus éloignée détectée à ce jour. La source a un décalage vers le rouge de 0,8, ce qui signifie que depuis que les ondes gravitationnelles ont été produites pour la première fois, l’univers s’est étendu d’un facteur 1,8, doublant presque sa taille.

Un Saint Graal cosmique
La découverte de GW190521 signifie que les scientifiques ont détecté ce qui, pendant de nombreuses années, a été considéré comme un Saint Graal astronomique: un trou noir de masse intermédiaire, plus grand qu’un trou noir de masse stellaire et plus petit qu’un trou noir supermassif.

Tous les trous noirs observés avant cette découverte entrent dans l’une ou l’autre des deux catégories: les trous noirs de masse stellaire, qui mesurent des dizaines de masses solaires et sont censés se former lorsque des étoiles massives meurent; ou des trous noirs supermassifs, comme celui au centre de la galaxie de la Voie lactée, qui ont des masses de centaines de milliers à des milliards de fois celle de notre soleil. Dans le cas de GW190521, le trou noir final de 142 masses solaires se situe dans une plage de masse intermédiaire entre les trous noirs de masse stellaire et supermassifs.

Pour trouver GW190521, le groupe de McIver a dû analyser des montagnes de données pour confirmer sa nature astrophysique. Pour les événements de fusion d’ondes gravitationnelles rapportés précédemment, les détecteurs LIGO et Virgo ont enregistré de nombreux cycles d’objets compacts en orbite autour de l’autre dans l’espace avant d’entrer en collision. Cependant, GW190521 est si lourd que son signal est passé au-dessus des fréquences sensibles les plus basses des détecteurs seulement des dixièmes de seconde avant la fusion, ce qui rend la distinction beaucoup plus difficile du bruit transitoire dans les détecteurs LIGO et Virgo, qui peuvent également apparaître sous forme de courtes rafales. dans les données.

«Nous devons établir un niveau de confiance élevé dans cette découverte, car c’est la première fois qu’un système comme celui-ci est observé», a déclaré Evan Goetz, associé de recherche à l’UBC qui travaille avec LIGO depuis 15 ans. «Nous constatons que GW190521 est la première observation concluante d’un trou noir de masse intermédiaire. Afin de réaliser une détection sûre, nous avons besoin d’une compréhension approfondie des sources de bruit LIGO et Virgo qui pourraient imiter un signal comme celui-ci.

De plus, les deux trous noirs ancêtres qui ont produit le trou noir final sont si massifs que les scientifiques soupçonnent qu’ils ne se sont peut-être pas formés à partir d’une étoile qui s’effondre, comme le font la plupart des trous noirs de masse stellaire. Selon la physique de l’évolution stellaire, les étoiles entre 60 et 130 fois la masse du Soleil – une plage connue sous le nom d’écart de masse d’instabilité de paire – devraient mourir dans une supernova d’instabilité de paire, dans laquelle l’étoile se désagrège complètement avec aucun trou noir restant.

«Le fait que nous voyons un trou noir dans cet écart de masse incitera de nombreux astrophysiciens à se gratter la tête et à essayer de comprendre comment ces trous noirs ont été créés», a déclaré Nelson Christensen, membre de Virgo, directeur du laboratoire Artemis au Observatoire de Nice en France.

Plus de questions que de réponses
Ces résultats peuvent indiquer que les étoiles massives peuvent s’effondrer en trous noirs de masse élevée après tout – ou si une cascade de fusions de trous noirs s’est produite. Une possibilité proposée par les chercheurs est celle d’une fusion hiérarchique, dans laquelle les deux trous noirs ancêtres eux-mêmes pourraient s’être formés à partir de la fusion de deux trous noirs plus petits. Les deux trous noirs peuvent également s’être formés dans des systèmes séparés avant de migrer ensemble et finalement de fusionner.

Les scientifiques envisagent également la possibilité que GW190521 ne soit pas du tout issu d’une fusion binaire de trous noirs. Alors que les détecteurs LIGO et Virgo écoutent les ondes gravitationnelles traversant la Terre, des recherches automatisées parcourent les données entrantes pour trouver des signaux intéressants. Ces recherches peuvent utiliser deux méthodes différentes: des algorithmes qui identifient les modèles de vagues attendus dans les données produites par des systèmes binaires compacts; et des recherches plus générales en «rafale», qui recherchent essentiellement tout signal qui se démarque du bruit du détecteur.

Dans le cas de GW190521, ce sont les recherches en rafale qui ont capté un signal légèrement plus clair, ouvrant la petite chance que l’événement binaire ait des propriétés auparavant inobservées qui ne sont pas bien décrites par les modèles actuels – ou même que les ondes gravitationnelles proviennent de quelque chose d’autre qu’une fusion binaire.

D’autres sources du signal avancées par les chercheurs incluent la possibilité que les ondes gravitationnelles aient été émises par une étoile qui s’effondre dans notre galaxie. Le signal pourrait également provenir d’une chaîne cosmique produite alors que l’univers se gonflait à ses débuts. Ou cela pourrait être le produit de deux trous noirs (hypothétiques) «primordiaux», formés dans le Big Bang, et fusionnant des milliards d’années plus tard.

«C’est juste une découverte vraiment étonnante», a déclaré McIver. «Non seulement cela va changer la façon dont nous pensons aux trous noirs, mais cela démontre la capacité des ondes gravitationnelles à découvrir de nouveaux phénomènes dans l’Univers que nous ne pouvons pas voir avec la lumière.»

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