En 2023, les astronomes ont détecté une énorme collision. Deux trous noirs d'une masse sans précédent se sont écrasés à environ 7 milliards d'années-lumière. Les masses énormes et les rotations extrêmes des trous noirs ont intrigué les astronomes. Des trous noirs comme ceux-ci n’étaient pas censés exister.
Aujourd'hui, les astronomes du Centre d'astrophysique computationnelle (CCA) du Flatiron Institute et leurs collègues ont compris comment ces trous noirs ont pu se former et entrer en collision. Les simulations complètes des astronomes, qui suivent le système depuis la vie des étoiles mères jusqu'à leur mort ultime, ont révélé la pièce manquante que les études précédentes avaient négligée : les champs magnétiques.
« Personne n'a envisagé ces systèmes comme nous l'avons fait; auparavant, les astronomes prenaient simplement un raccourci et négligeaient les champs magnétiques », explique Ore Gottlieb, astrophysicien au CCA et auteur principal de la nouvelle étude sur les travaux publiés dans Les lettres du journal astrophysique. « Mais une fois que l'on considère les champs magnétiques, on peut réellement expliquer les origines de cet événement unique. »
La collision détectée en 2023, désormais connue sous le nom de GW231123, a été observée par la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA à l'aide de détecteurs qui mesurent les ondes gravitationnelles, les ondulations dans l'espace-temps provoquées par les mouvements d'objets massifs.
À l’époque, les astronomes ne pouvaient pas comprendre comment des trous noirs aussi grands et à rotation rapide avaient pu exister. Lorsque les étoiles massives atteignent la fin de leur vie, beaucoup s’effondrent et explosent sous forme de supernova, laissant derrière elles un trou noir. Mais si l’étoile se situe dans une plage de masse spécifique, un type particulier de supernova se produit. Cette explosion, appelée supernova à instabilité de paire, est si violente que l'étoile est annihilée, ne laissant rien derrière elle.
« En raison de ces supernovae, nous ne nous attendons pas à ce que des trous noirs se forment entre 70 et 140 fois la masse du soleil », explique Gottlieb. « C'était donc déroutant de voir des trous noirs avec des masses à l'intérieur de cet espace. »
Les trous noirs dans cet écart de masse peuvent se former indirectement, lorsque deux trous noirs fusionnent pour former un trou noir plus grand, mais dans le cas de GW231123, les scientifiques pensaient que cela était improbable. La fusion des trous noirs est un événement extrêmement chaotique qui perturbe souvent la rotation du trou noir qui en résulte. Les trous noirs de GW231123 étaient les plus rapides observés par LIGO, entraînant l'espace-temps autour d'eux à une vitesse proche de celle de la lumière. Deux trous noirs de leur taille et de leur rotation sont incroyablement improbables, alors les astronomes ont pensé que quelque chose d'autre devait être à l'œuvre.
Gottlieb et ses collaborateurs ont étudié en effectuant deux étapes de simulations informatiques. Ils ont d’abord simulé une étoile géante d’une masse 250 fois supérieure à celle du soleil tout au long de la phase principale de sa vie, depuis le moment où elle commence à brûler de l’hydrogène jusqu’au moment où elle s’épuise et s’effondre en supernova. Au moment où une étoile aussi massive atteignait le stade de supernova, elle avait brûlé suffisamment de carburant pour perdre une masse de seulement 150 fois celle du soleil, ce qui la plaçait juste au-dessus de l'écart de masse et suffisamment grande pour laisser derrière elle un trou noir.
Une deuxième série de simulations plus complexes, prenant en compte les champs magnétiques, traitait des conséquences de la supernova. Le modèle a commencé avec les restes de supernova, un nuage de matière stellaire restante chargé de champs magnétiques et d'un trou noir en son centre. Auparavant, les astronomes supposaient que la masse entière du nuage tomberait dans le trou noir nouveau-né, faisant en sorte que la masse finale du trou noir corresponde à celle de l'étoile massive. Mais les simulations ont montré quelque chose de différent.
Après qu’une étoile non tournante s’effondre pour former un trou noir, le nuage de détritus restant tombe rapidement dans le trou noir. Cependant, si l’étoile initiale tournait rapidement, ce nuage forme un disque en rotation qui fait tourner le trou noir de plus en plus vite à mesure que la matière tombe dans ses abysses. Si des champs magnétiques sont présents, ils exercent une pression sur le disque de débris. Cette pression est suffisamment forte pour éjecter une partie de la matière du trou noir à une vitesse proche de celle de la lumière.
Ces sorties réduisent finalement la masse de matière présente dans le disque qui finit par alimenter le trou noir. Plus les champs magnétiques sont forts, plus cet effet est important. Dans des cas extrêmes, avec des champs magnétiques très puissants, jusqu'à la moitié de la masse originale de l'étoile peut être éjectée à travers les éjectas du disque du trou noir. Dans le cas des simulations, les champs magnétiques ont finalement créé un dernier trou noir dans l’intervalle de masse.
« Nous avons découvert que la présence de rotations et de champs magnétiques pouvait modifier fondamentalement l'évolution de l'étoile après l'effondrement, rendant la masse du trou noir potentiellement nettement inférieure à la masse totale de l'étoile en train de s'effondrer », explique Gottlieb.
Selon Gottlieb, les résultats suggèrent un lien entre la masse d'un trou noir et la vitesse à laquelle il tourne. Des champs magnétiques puissants peuvent ralentir un trou noir et emporter une partie de la masse stellaire, créant ainsi des trous noirs plus légers et à rotation plus lente. Des champs plus faibles permettent des trous noirs plus lourds et à rotation plus rapide. Cela suggère que les trous noirs pourraient suivre un modèle qui lie leur masse et leur rotation.
Bien que les astronomes ne connaissent aucun autre système de trous noirs sur lequel cette connexion peut être testée par observation, ils espèrent que les futures observations pourront trouver davantage de systèmes de ce type qui pourraient confirmer cette connexion.
Les simulations montrent également que la formation de ce type de trous noirs crée des sursauts de rayons gamma, qui pourraient être observables. La recherche de ces signatures de rayons gamma aiderait à confirmer le processus de formation proposé et à révéler à quel point ces trous noirs massifs pourraient être courants dans l'univers. En fin de compte, si une telle connexion est confirmée, elle aiderait les astronomes à mieux comprendre la physique fondamentale des trous noirs.
