Une équipe de chercheurs dirigée par l'Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) de l'Université de Santiago de Compostela (Espagne) a mesuré pour la première fois la vitesse et la direction du recul d'un trou noir nouveau-né formé par la fusion de deux autres. Le résultat, publié aujourd'hui dans la revue Astronomie naturelleoffre de nouvelles perspectives sur certains des événements les plus extrêmes de l'univers.
Les ondes gravitationnelles (GWS) sont des ondulations dans le tissu de l'espace-temps qui s'éloignent de leurs sources à la vitesse de la lumière, codant pour les informations à leur sujet. Ils fournissent un canal d'information complètement nouveau qui nous permet d'observer des phénomènes astrophysiques qui n'émettent pas de lumière – tels que des fusions de trou noir – et d'obtenir de nouvelles informations sur les processus qui font – tels que des supernovae ou des fusions d'étoiles à neutrons.
Alors qu'Einstein a prédit l'existence de GWS en 1916, ils sont si faibles que les détecter nécessitent des détecteurs incroyablement sensibles et des événements astrophysiques extrêmement violents tels que les fusions de trou noir, les supernovae ou le Big Bang lui-même.
Pour cette raison, il a fallu un siècle pour détecter les GWS pour la première fois, lorsque les détecteurs avancés de Ligo – situés à Hanford (Washington) et Livingston (Louisiane) – ont enregistré en septembre 2015 le signal GW150914, émis par la fusion de deux trous noirs d'environ 30 fois la masse du Soleil. Depuis lors, près de 300 événements de ce type ont été enregistrés, ce qui nous a permis de commencer à explorer la population de trous noirs dans notre univers et de tester la gravité dans son régime le plus violent.
Parmi les résultats les plus spectaculaires des fusions de trou noir se trouve le recul du trou noir. Lorsque deux trous noirs fusionnent, le trou noir unique résultant émet des ondes gravitationnelles de manière inégale dans différentes directions. Ce déséquilibre fait que le reste de «coup de pied» – est parfois à des vitesses de milliers de kilomètres par seconde, assez rapidement pour échapper à sa galaxie hôte.
Now, a decade after the first discovery of GWs, a small team of researchers from the University of Santiago de Compostela, Pennsylvania State University and The Chinese University of Hong Kong has measured for the first time both the speed and direction the recoiling black hole formed during the event GW190412: a merger of two black holes of unequal masses observed in 2019 by the Advanced LIGO and Virgo detectors during leur troisième période d'observation.
Mesurer un recul noir
Les ondes gravitationnelles émises dans différentes directions semblent très différentes, ce qui nous permet de comprendre où nous sommes exactement autour de la source. Par conséquent, les signaux diffèrent considérablement en fonction de la position de l'observateur par rapport au recul, ce qui nous permet de connaître sa direction par rapport à celle définie par la source et la terre. De plus, GR nous dit la vitesse du recul compte tenu des mesures des masses et des tours de la source. Avec cela, nous pouvons caractériser complètement le recul.
Le professeur Juan Calderon-Bustillo, chercheur IGFAE et auteur principal, l'explique avec une analogie musicale: « Les fusions de trou noir peuvent être comprises comme une superposition de différents signaux, tout comme la musique d'un orchestre cohérent avec la combinaison de musique jouée par de nombreux instruments différents. Cependant, cet orchestre est spécial: un public situé dans des positions différentes autour de celles il. »
L'équipe a conclu que le recul du reste de GW190412 dépassait 50 km / s – assez pour expulser le trou noir d'un groupe globulaire – et a déterminé sa direction de recul par rapport à la Terre, le moment angulaire orbital du système et la ligne de séparation du binaire quelques secondes avant la fusion.
« Nous sommes sortis avec cette méthode en 2018. Nous avons montré que cela permettrait à des mesures de coup de pied en utilisant nos détecteurs actuels à un moment où d'autres méthodes existantes exigeaient des détecteurs comme Lisa, qui était à plus d'une décennie », explique Calderon-Bustillo.
« Malheureusement, à ce moment-là, Advanced Ligo et Virgo n'avaient pas détecté de signal avec` `la musique de divers instruments '' qui pourrait permettre une mesure de coup de pied. Cependant, nous étions sûrs qu'une telle détection devrait se produire bientôt. Il était extrêmement excitant de détecter GW190412 un an plus tard, remarquer que le coup de pied pourrait probablement être mesuré, et en fait. »
Le Dr Koustav Chandra, chercheur postdoctoral à Penn State, a déclaré: « C'est l'un des rares phénomènes en astrophysique où nous ne détectons pas seulement quelque chose – nous reconstruisons le mouvement 3D complet d'un objet qui est à des milliards d'années-lumière, en utilisant uniquement des ondulations en space-temps. » C'est une démonstration remarquable de ce que les éventuelles gravillant peuvent faire. «
Et qu'est-ce qui vient ensuite?
La mesure de la direction des reculs de trou noir peut ouvrir des avenues pour étudier les fusions de trou noir avec des signaux gravitationnels et électromagnétiques.
« Les fusions de trous noires dans des environnements denses peuvent conduire à des signaux électromagnétiques détectables – connus sous le nom de fusées éclairantes – comme le trou noir restant traverse un environnement dense comme un noyau galactique actif (AGN) », explique Samson Leong, doctorat à l'Université chinoise de Hong Kong et co-auteur de l'article.
« Parce que la visibilité de la fusée dépend de l'orientation du recul par rapport à la Terre, la mesure des recul nous permettra de faire la distinction entre une véritable paire de signaux GW-EM qui provient d'un BBH et d'une coïncidence aléatoire. »
