L’avènement des détecteurs d’ondes gravitationnelles – il y en a maintenant quatre – a enregistré un flux constant de fusions de trous noirs. Pour autant que nous puissions en juger, presque tous se sont comportés exactement comme nous nous attendions à ce que les types d’événements que nous avions prédits les produisent : une paire de trous noirs en orbite qui s’enroulent progressivement vers l’intérieur jusqu’à ce qu’ils se rencontrent à leur centre de gravité mutuel. .
Mais il y a eu un événement qui ne correspondait apparemment pas tout à fait aux types de signaux auxquels nous nous attendions. Et les chercheurs suggèrent maintenant que c’était le produit de quelque chose qui devrait être incroyablement rare : deux trous noirs se trouvant dans l’immensité de l’espace. Après un seul passage rapproché, les deux corps se sont courbés et ont immédiatement basculé dans une collision.
Modèles et gazouillis
Les collisions de trous noirs nécessitent que les deux trous noirs soient suffisamment proches l’un de l’autre pour interagir gravitationnellement. Étant donné que l’espace est si vaste, cela signifierait généralement qu’ils sont les produits de deux étoiles massives qui se sont formées en tant que système binaire. Après que les étoiles soient mortes et aient laissé des trous noirs derrière elles, les deux corps tourneraient lentement l’un vers l’autre, rayonnant de l’énergie sous la forme d’ondes gravitationnelles comme ils le font.
Cela conduit à une inspiration et à une fusion relativement simples, dont les détails sont apparus dans d’innombrables animations à la suite de la première détection par LIGO d’une collision avec un trou noir.
Les collisions de ce type sont si bien élaborées que nous disposons d’un grand nombre de simulations qui modélisent une collision comme celle-ci avec différents ensembles de détails : différentes masses de trous noirs, différents spins, etc. Ces simulations fournissent des « modèles » des derniers instants avant les collisions, lorsque la production d’ondes gravitationnelles devient à la fois plus rapide et plus intense, avec le « gazouillis » final des ondes s’élevant au-dessus du bruit de fond sur Terre. Ces modèles nous permettent d’identifier rapidement les détails d’une collision, en fonction du degré de correspondance des signaux de collision avec l’un de ces modèles.
Mais une fusion appelée GW190521 ne correspondait pas vraiment bien aux modèles et ne correspondait mieux que si les trous noirs impliqués ne tournaient pas du tout. Le gazouillis a été inhabituellement court et il n’y a aucun signe de signal avant la fusion proprement dite. Enfin, les deux objets impliqués dans la fusion étaient relativement massifs : environ 50 et 80 fois la masse du Soleil. Les trous noirs de cette taille ne se forment pas dans les supernovae (celles-ci commencent généralement avec moins de 15 masses solaires), ce sont donc probablement les produits de collisions antérieures. Ce qui rend leur démarrage dans le cadre d’un système binaire une proposition discutable.
Ainsi, une équipe de chercheurs européens a décidé de modéliser un événement qui devrait être relativement rare : les deux trous noirs n’ont pas commencé sur une orbite mutuelle, mais se sont passés suffisamment près pour s’accrocher gravitationnellement l’un à l’autre.
Allons-nous danser ?
Le terme technique pour ce que les auteurs proposent est « capture dynamique », ce qui explique la nature apparemment soudaine et en rafale du signal GW190521. Au lieu de l’approche progressive où les ondes gravitationnelles augmentent en intensité qui caractérise les systèmes binaires, les deux corps qui ont déclenché cet événement pourraient subir un nombre limité d’oscillations à grande vitesse l’un devant l’autre avant une collision.
Les chercheurs ont modélisé une variété d’approches potentielles, dont certaines conduiraient à une approche progressive similaire à celle observée dans les systèmes binaires et d’autres qui pourraient éloigner les deux trous noirs l’un de l’autre sur des trajectoires modifiées. Mais entre les deux extrêmes se trouve un ensemble de résultats où vous pourriez soit avoir un petit nombre de passages rapprochés avant la collision, soit les deux trous noirs pourraient plonger directement l’un dans l’autre.
Les modèles qui ont produit un chirp qui correspondait le mieux au signal GW190521 ont vu une seule passe qui a rapproché les trous noirs, suivie d’une seule courbe rapide dans la collision. Mais le premier passage était suffisamment éloigné pour que le signal soit trop faible pour se démarquer du bruit de fond dans les détecteurs. Bien qu’il soit possible de produire des résultats similaires à ceux-ci en utilisant un profil de collision plus typique avec une inspiration graduelle, divers tests statistiques suggèrent que la capture dynamique est plus probable.
C’est probablement basé sur les propriétés du gazouillis des ondes gravitationnelles, au moins. La probabilité que deux trous noirs se rapprochent suffisamment l’un de l’autre pour déclencher le processus est une tout autre affaire. Mais ces deux trous noirs sont suffisamment massifs pour avoir été construits par des fusions précédentes, ce qui suggère que cette collision a eu lieu dans un amas dense où de nombreuses étoiles massives meurent. Ainsi, l’environnement peut être plus favorable à une rencontre fortuite que ce à quoi nous pourrions nous attendre.
Astronomie naturelle2022. DOI : 10.1038/s41550-022-01813-w (À propos des DOI).