Download_on_the_App_Store_Badge_FR_RGB_blk_100517

Une collision dans l'espace a révélé un trou noir qui ne devait pas exister, selon les physiciens

Une collision dans l'espace a révélé un trou noir qui ne devait pas exister, selon les physiciens
Un ouvrier inspecte les fibres de quartz qui suspendent un miroir à l'intérieur de l'observatoire des ondes gravitationnelles de VIRGO. © EGO/Virgo Collaboration/Perciballi

Il y a sept milliards d'années, deux trous noirs se sont rentrés dedans et ont fusionné en un énorme trou noir d'une masse équivalente à celle de 142 soleils. La collision s'est répercutée dans l'espace et le temps, et ces ondulations — un phénomène appelé ondes gravitationnelles, prédit pour la première fois par Albert Einstein — ont traversé l'univers à 16,5 milliards d'années-lumière pour atteindre la Terre en mai 2019. Pendant un dixième de seconde, les bras longs de plusieurs kilomètres de deux grands observatoires de physique se sont tendus du fait de ces ondulations : le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) aux États-Unis et son homologue italien, VIRGO.

"Cela ne ressemble pas beaucoup aux 'gazouillis' que nous détectons habituellement", a déclaré Nelson Christensen, un scientifique de VIRGO et chercheur au Centre national de la recherche scientifique français (CNRS), dans un communiqué de presse. "C'est plutôt quelque chose qui fait 'bang', et c'est le signal le plus massif que LIGO et VIRGO aient jamais vu." La fusion de trous noirs que les observatoires ont détectée est la plus massive et la plus lointaine qu'ils aient jamais captée. Mais plus frappant encore, elle défie les lois connues de la physique.

Les calculs des scientifiques ont montré que le trou noir le plus lourd des deux qui sont entrés en collision avait une masse 85 fois supérieure à celle du Soleil, une amplitude que de nombreux physiciens pensaient impossible.

"C'est exactement ce que j'avais prédit", a déclaré à Business Insider US Stan Woosley, un astrophysicien qui modélise la mort des étoiles massives (le processus qui crée les trous noirs). "Un grand trou noir en plein milieu de la zone interdite."

Lorsque deux trous noirs entrent en collision, ils libèrent des quantités massives d'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles.. NASA Goddard

Les scientifiques de LIGO et de VIRGO ont décrit les nouvelles découvertes dans deux articles publiés mercredi 2 septembre.

"Cet événement pose plus de questions qu'il n'apporte de réponses", a déclaré Alan Weinstein, un scientifique de LIGO et professeur de physique au California Institute of Technology (Caltech), dans le communiqué. "Du point de vue de la découverte et de la physique, c'est quelque chose de très excitant."

'Certains d'entre nous vont devoir payer des bouteilles de vin à d'autres'

Des trous noirs se forment lorsque des étoiles lourdes meurent et s'effondrent, leur attraction gravitationnelle est si forte que même la lumière ne peut s'en échapper.

Il existe deux principaux types de trous noirs : les trous stellaires (qui représentent des dizaines de masses solaires) et les trous supermassifs (qui ont la masse de millions ou même de milliards de soleils).

Une image simulée par ordinateur montrant un trou noir supermassif au cœur d'une galaxie. La région noire au centre représente l'horizon événementiel du trou noir, où aucune lumière ne peut échapper à l'emprise gravitationnelle de l'objet massif.. NASA, ESA, and D. Coe, J. Anderson, and R. van der Marel (STScI)

Le trou noir de 142 masses solaires, qui s'est formé à la suite de cette collision vieille de 7 milliards d'années, est le premier trou noir détecté qui fait entre 100 et 1 000 fois la masse du Soleil. Cet objet de "masse intermédiaire" pourrait révéler un chaînon manquant entre les deux types de trous noirs. Il pourrait également aider les scientifiques à comprendre d'où viennent les trous noirs supermassifs.

Mais le trou noir de 85 masses solaires impliqué dans la collision n'était pas censé exister du tout.

Bien que la taille des trous noirs puisse varier "de la taille microscopique à celle de l'univers", a déclaré Stan Woosley, ses modèles suggèrent que lorsqu'il s'agit de paires d'étoiles orbitant autour d'un centre de gravité commun, "il serait très difficile de former un trou noir ayant une masse comprise entre environ 50 et 130 masses solaires".

Au lieu de cela, les modèles de physique suggèrent que les étoiles de cette masse devraient mourir dans un type unique d'explosion de supernova qui annihile l'étoile, ne laissant derrière elle aucun matériau pour s'effondrer en un trou noir dense.

La plus grande étoile du système Eta Carinae en lumière ultraviolette et visible alors qu'elle approche de la fin de sa vie et une probable explosion de supernova.. NASA Goddard

"Mais la nature trouve toujours un moyen", a déclaré Stan Woosley. "Pour notre défense, ils ont dû fouiller dans une fraction substantielle de l'univers visible pour trouver un trou noir pareil. C'est très loin."

Il a ajouté que les physiciens comme lui qui ont prédit cet écart de masse devraient repenser leurs modèles. "Nous, ainsi que beaucoup d'autres personnes, reviendrons sur nos hypothèses", a déclaré Stan Woosley.

Cela pourrait aussi signifier qu'ils devront payer le pari qu'ils ont perdu contre les chercheurs sur les ondes gravitationnelles.

"Les observateurs en chercheront d'autres – deux c'est toujours plus beau qu'un seul. Et certains d'entre nous devront payer des bouteilles de vin à d'autres", a déclaré Stan Woosley. "Je ne suis pas convaincu à 100% qu'ils ont vu un trou noir de 85 [masses solaires], mais je suis suffisamment convaincu pour leur payer un verre."

Le trou noir a pu se développer à partir d'une collision précédente

Une représentation artistique d'un trou noir supermassif et de son disque de gaz environnant. Ce disque contient deux petits trous noirs en orbite l'un autour de l'autre. . Caltech/R. Hurt (IPAC)

Il est peu probable que cet improbable trou noir ait été créé directement à partir d'une étoile qui s'est effondrée, c'est pourquoi certains chercheurs pensent qu'il pourrait provenir d'une fusion antérieure.

"Il existe de nombreuses hypothèses pour expliquer ce problème : la fusion de deux étoiles ensemble, l'encastrement du trou noir dans un épais disque de matière qu'il peut avaler, ou encore la création de trous noirs primordiaux au lendemain du Big Bang", a déclaré Christopher Berry, astronome spécialiste des ondes gravitationnelles et chercheur LIGO, dans le communiqué. "L'idée que j'aime vraiment est celle d'une fusion hiérarchique où nous avons un trou noir formé à partir de la fusion précédente de deux trous noirs plus petits".

Stan Woosley, lui aussi, a déclaré que le trou noir a probablement pris de l'ampleur à cause de quelque chose qui s'est produit après sa formation.

"Nous ne faisons que prédire les masses de trous noirs quand ils naissent", a-t-il déclaré.

Une autre possibilité est que l'événement détecté par LIGO et VIRGO n'était peut-être pas du tout une fusion de trous noirs. Une collision, cependant, est ce qui colle le mieux aux données.

Les prédictions d'Albert Einstein ont conduit les scientifiques à découvrir de violentes collisions spatiales et un nouveau domaine de la physique

Une simulation sur supercalculateur montrant l'un des événements les plus violents de l'univers : une paire d'étoiles à neutrons entrant en collision, fusionnant et formant un trou noir.. NASA Goddard

Albert Einstein avait prédit que les collisions d'objets massifs, comme les trous noirs et les étoiles à neutrons, produiraient des ondes gravitationnelles. Mais il pensait que personne ne pourrait jamais détecter ces ondulations dans l'espace-temps – elles semblaient trop faibles pour être captées sur Terre au milieu de tout le bruit et les vibrations qui y règnent.

Pendant 100 ans, il a semblé qu'Albert Einstein avait raison.

Mais à la fin des années 1990, les machines de LIGO à Washington et en Louisiane ont été construites pour tenter de capter ces signaux. Pendant les 13 premières années, elles ont attendu en silence.

Enfin, en septembre 2015, LIGO a détecté ses premières ondes gravitationnelles : des signaux provenant de la fusion de deux trous noirs situés à quelque 1,3 milliard d'années-lumière. Cette découverte a ouvert le champ à un nouveau domaine de l'astronomie, et trois chercheurs qui ont participé à la conception de l'expérience ont reçu un prix Nobel de physique.

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

Depuis, LIGO et VIRGO ont identifié deux autres types de collisions. Les observatoires ont enregistré les ondes gravitationnelles de deux étoiles à neutrons fusionnant pour la première fois en octobre 2017. En août 2019, LIGO et VIRGO ont détecté ce que les scientifiques croient être un trou noir avalant une étoile à neutrons.

"Après tant d'observations des ondes gravitationnelles depuis la première détection en 2015, il est excitant de voir que l'univers nous lance encore de nouvelles choses, et ce trou noir de 85 masses solaires nous a pris de court", a déclaré Chase Kimball, un étudiant en doctorat d'astronomie à l'université Northwestern qui travaille avec l'équipe LIGO, dans le communiqué.

Les chercheurs s'attendent à en apprendre davantage à mesure qu'ils approfondissent ce domaine de la physique. Les mises à niveau prévues et les nouveaux observatoires pourraient permettre aux scientifiques de détecter chaque jour de nouvelles collisions spatiales d'ici le milieu des années 2020.

"Les observations des ondes gravitationnelles sont révolutionnaires", a déclaré Christopher Berry. "Chaque nouvelle détection affine notre compréhension de la formation des trous noirs. Avec ces avancées dans le domaine des ondes gravitationnelles, il ne faudra pas longtemps avant que nous ayons suffisamment de données pour découvrir les secrets de la naissance et de la croissance des trous noirs".

Version originale : Morgan McFall-Johnsen/Business Insider.

Découvrir plus d'articles sur :