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Les trous noirs peuvent produire de la lumière en se heurtant, et la première ‘éruption’ d’une fusion spatio-temporelle vient d’être détectée

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Les trous noirs peuvent produire de la lumière en se heurtant, et la première ‘éruption’ d’une fusion spatio-temporelle vient d’être détectée
Un concept d'artiste d'un trou noir supermassif et de son disque de gaz environnant. Ce diséque contient deux petits trous noirs en orbite l'un autour de l'autre. © Caltech/R. Hurt (IPAC)

Pour la première fois, les astronomes ont vu un flash de lumière provenant de la collision de deux trous noirs. Les objets se sont rencontrés et ont fusionné à 7,5 milliards d'années-lumière de distance, dans un vortex de matière chaude et tourbillonnante encerclant un trou noir plus grand et supermassif. Ce tourbillon est appelé disque d'accrétion et tourne autour de l'horizon des événements d'un trou noir — le point après lequel la gravité est si puissante que même la lumière ne peut s'en échapper.

C'est pourquoi les scientifiques n'ont jamais vu deux trous noirs entrer en collision. En l'absence de lumière, ils ne peuvent identifier de telles fusions qu'en détectant leurs ondes gravitationnelles — des ondulations dans l'espace-temps créées par les collisions d'objets massifs. Albert Einstein a d'abord prédit le phénomène, mais il ne pensait pas que les ondes gravitationnelles seraient un jour détectées. Elles semblaient trop faibles pour être captées sur Terre au milieu de tous les bruits et vibrations.

Pendant 100 ans, il est apparu qu'Einstein avait raison. Mais en 2015, une paire de machines à Washington et en Louisiane ont détecté leurs premières ondes gravitationnelles : des signaux provenant de la fusion de deux trous noirs à quelque 1,3 milliard d'années-lumière de distance. Cette découverte a ouvert un nouveau domaine de l'astronomie et a valu un prix Nobel de physique aux chercheurs qui ont contribué à la conception du projet, appelé "Observatoire d'ondes gravitationnelles par interférométrie laser" (LIGO).

Pour la première fois, les scientifiques ont réussi à faire correspondre une collision de trous noirs détectée par le LIGO à une éruption de lumière, ce qui semblait impossible auparavant, puisque les trous noirs n'émettent pas de lumière.

Une animation montre deux trous noirs qui se fondent en un seul grand trou noir. NSF

Les chercheurs pensent qu'une fois que les deux trous noirs ont fusionné, la force de la collision a envoyé le trou noir nouvellement formé se remodeler à travers le gaz du disque d'accrétion autour du trou noir plus grand. "C'est la réaction du gaz à ce projectile qui accélère qui crée une éruption lumineuse, visible avec les télescopes", a déclaré Barry McKernan, un astronome de l'équipe du California Institute of Technology qui a capturé ce phénomène, dans un communiqué de presse.

Les chercheurs ont publié leurs conclusions dans la revue Physical Review Letters jeudi 25 juin 2020. Ils s'attendent à voir une autre éruption du même trou noir dans quelques années, lorsqu'elle devrait pénétrer à nouveau dans le disque d'accrétion du trou noir supermassif.

"La raison pour laquelle la recherche d'éruptions comme celle-ci est si importante est que cela aide énormément pour les questions d'astrophysique et de cosmologie. Si nous pouvons le refaire et détecter la lumière provenant de la fusion d'autres trous noirs, nous pourrons alors déterminer les foyers de ces trous noirs et en apprendre davantage sur leurs origines", a déclaré le co-auteur de l'étude, Mansi Kasliwal, professeur adjoint d'astronomie au Caltech, dans le communiqué.

Une éruption 'spectaculaire' a coïncidé avec les ondes gravitationnelles

Cette simulation sur supercalculateur montre l'un des événements les plus violents de l'univers : une paire d'étoiles à neutrons entrent en collision, fusionnent et forment un trou noir. NASA/Goddard

LIGO, qui se compose de deux détecteurs d'ondes gravitationnelles aux États-Unis, ainsi que son homologue italien, Virgo, ont détecté les perturbations dans l'espace et le temps en mai 2019. Quelques jours plus tard, les télescopes de l'observatoire Palomar, près de San Diego, ont observé un brillant éclair de lumière provenant du même endroit du cosmos.

Les chercheurs du Caltech ont ensuite regardé des images d'archives de cette région du ciel et ont pu repérer l'éruption. La lumière s'était lentement éteinte pendant un mois. La chronologie et le lieu de l'éruption correspondaient aux observations de LIGO.

"Ce trou noir supermassif était en train de rôder pendant des années avant cette éruption plus abrupte", a déclaré Matthew Graham, professeur d'astronomie à Caltech et auteur principal de l'étude, dans le communiqué. "Dans notre étude, nous concluons que l'éruption est probablement le résultat d'une fusion du trou noir, mais nous ne pouvons pas complètement exclure d'autres possibilités".

Les chercheurs ont cependant exclu la possibilité que cette lumière provienne d'explosions de routine dans le disque d'accrétion du trou noir supermassif. C'est parce que le disque était relativement calme pendant les 15 années qui ont précédé cette récente flambée. "Les trous noirs supermassifs comme celui-ci ont des éruptions tout le temps. Ce ne sont pas des objets silencieux, mais le moment, la taille et l'emplacement de cette éruption étaient spectaculaires", a déclaré le scientifique.

Comment LIGO détecte les trous noirs

L'observatoire LIGO en forme de L à Hanford, Washington, est l'un des trois détecteurs d'ondes gravitationnelles en service. Laboratoire LIGO/NSF

Les deux expériences LIGO et Virgo consistent en deux bras de 4 km de long. Le détecteur émet un rayon laser et le divise en deux. L'un de ces faisceaux est envoyé dans un tube de 3,5 km de long, tandis que l'autre descend dans le même tube perpendiculaire.

Les faisceaux rebondissent sur les miroirs puis convergent à nouveau près du séparateur de faisceaux. Lorsque tout est immobile, les ondes lumineuses reviennent à la même longueur et s'alignent de telle sorte qu'elles s'annulent les unes les autres vers le détecteur.

Mais lorsqu'une onde gravitationnelle frappe la Terre, elle déforme l'espace-temps — rendant brièvement un tube plus long et l'autre plus court. Cette distorsion rythmique d'étirement et de compression se poursuit jusqu'à ce que l'onde passe. Lorsque cela se produit, les deux ondes de lumière ne finissent pas par converger à longueur égale, de sorte qu'elles ne se neutralisent pas l'une l'autre. Cela conduit le détecteur à enregistrer quelques éclairs de lumière.

La mesure de ces changements de luminosité permet donc aux physiciens de détecter et d'observer les ondes gravitationnelles qui traversent la Terre. C'est ainsi que les observatoires ont détecté la fusion de deux étoiles à neutrons en octobre 2017, ainsi que ce qu'ils croient être un trou noir avalant une étoile à neutrons en août 2019. Au total, les observatoires ont détecté des ondes gravitationnelles probables plus de 30 fois.

Un nouvel observatoire des ondes gravitationnelles permettra à un plus grand nombre de télescopes de repérer les violentes collisions spatiales

Le système KAGRA est logé dans un tunnel géant en forme de L situé à 200 mètres sous terre à Hida, Gifu, au Japon.  The Asahi Shimabun via Getty Images

Les scientifiques s'attendent à d'autres découvertes comme celle-ci dans les années à venir, après la mise en service d'un nouvel observatoire des ondes gravitationnelles appelé le Kamioka Gravitational-wave Detector (KAGRA). Avec l'aide du KAGRA, les scientifiques de LIGO et de Virgo espèrent pouvoir localiser les collisions massives avec trois fois plus de précision. Les télescopes pourront ainsi confirmer beaucoup plus facilement les collisions responsables des ondes gravitationnelles et repérer la lumière qu'elles émettent.

Le nouveau réseau mondial pourrait à terme détecter 100 collisions par an, a déclaré précédemment Vicky Kalogera, astrophysicienne à l'université Northwestern et à LIGO, à Business Insider US.

Comme le réseau mondial d'ondes gravitationnelles en pleine expansion détecte de plus en plus de collisions avec une précision croissante, les scientifiques pourront en apprendre davantage sur la nature de ces fusions massives.

Version originale : Morgan McFall-Johnsen/Business Insider

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