Dans un article publié dans Les lettres du journal astrophysiquela collaboration internationale LIGO-Virgo-KAGRA rapporte la détection de deux événements d'ondes gravitationnelles en octobre et novembre 2024 avec des rotations inhabituelles de trous noirs. Cette observation ajoute un nouvel élément important à notre compréhension des phénomènes les plus insaisissables de l’univers.
Les ondes gravitationnelles sont des « ondulations » dans l'espace-temps qui résultent d'événements cataclysmiques dans l'espace profond, les ondes les plus fortes étant produites par la collision de trous noirs.
À l’aide de techniques algorithmiques sophistiquées et de modèles mathématiques, les chercheurs sont capables de reconstruire de nombreuses caractéristiques physiques des trous noirs détectés à partir de l’analyse des signaux gravitationnels, comme leur masse et la distance de l’événement par rapport à la Terre, et même la vitesse et la direction de leur rotation autour de leur axe, appelée spin.
La première fusion détectée le 11 octobre 2024 (GW241011) s'est produite à environ 700 millions d'années-lumière et résulte de la collision de deux trous noirs pesant environ 17 et sept fois la masse du soleil. Le plus grand des deux trous noirs de GW241011 a été mesuré comme étant l’un des trous noirs à rotation la plus rapide observés à ce jour.
Près d'un mois plus tard, GW241110 a été détecté le 10 novembre 2024, provenant d'environ 2,4 milliards d'années-lumière et impliquant la fusion de trous noirs d'environ 16 et huit fois la masse du soleil. Alors que la plupart des trous noirs observés tournent dans la même direction que leur orbite, le trou noir principal de GW241110 tourne dans une direction opposée à son orbite, une première du genre.
« Chaque nouvelle détection fournit des informations importantes sur l'univers, nous rappelant que chaque fusion observée est à la fois une découverte astrophysique mais aussi un laboratoire inestimable pour sonder les lois fondamentales de la physique », explique Carl-Johan Haster, co-auteur de l'article et professeur adjoint d'astrophysique à l'Université du Nevada à Las Vegas (UNLV).
« Des binaires comme ceux-ci avaient été prédits à partir d'observations antérieures, mais c'est la première preuve directe de leur existence. »
Il est intéressant de noter que les deux détections suggèrent la possibilité de trous noirs de « deuxième génération ».
« GW241011 et GW241110 font partie des événements les plus nouveaux parmi les centaines observés par le réseau LIGO-Virgo-KAGRA », déclare Stephen Fairhurst, professeur à l'Université de Cardiff et porte-parole de la collaboration scientifique LIGO.
« Les deux événements ayant un trou noir qui est à la fois nettement plus massif que l'autre et qui tourne rapidement, ils fournissent des preuves alléchantes que ces trous noirs ont été formés à partir de fusions précédentes de trous noirs. »
Les scientifiques soulignent certains indices, notamment la différence de taille entre les trous noirs lors de chaque fusion (le plus grand était presque le double de la taille du plus petit) et les orientations de rotation du plus grand des trous noirs dans chaque événement. Une explication naturelle de ces particularités est que les trous noirs sont le résultat de coalescences antérieures.
Ce processus, appelé fusion hiérarchique, suggère que ces systèmes se sont formés dans des environnements denses, dans des régions comme les amas d'étoiles, où les trous noirs sont plus susceptibles de se croiser et de fusionner encore et encore.
« Ces détections mettent en évidence les capacités extraordinaires de nos observatoires mondiaux d'ondes gravitationnelles », déclare Gianluca Gemme, porte-parole de la Collaboration Virgo.
« Les configurations de spin inhabituelles observées dans GW241011 et GW241110 remettent non seulement en question notre compréhension de la formation des trous noirs, mais offrent également des preuves irréfutables de fusions hiérarchiques dans des environnements cosmiques denses : elles nous enseignent que certains trous noirs existent non seulement en tant que partenaires isolés, mais probablement en tant que membres d'une foule dense et dynamique.
« Ces découvertes soulignent l'importance de la collaboration internationale pour dévoiler les phénomènes les plus insaisissables de l'univers. »
Découvrir les propriétés cachées des fusions de trous noirs
Les ondes gravitationnelles ont été prédites pour la première fois par Albert Einstein dans le cadre de sa théorie de la relativité générale en 1916, mais leur présence, bien que prouvée dans les années 1970, n'a pas été confirmée.’t directement observées par les scientifiques jusqu'à il y a seulement 10 ans, lorsque les collaborations scientifiques LIGO et Virgo ont annoncé la détection des ondes comme le résultat d'une fusion de trous noirs.
Aujourd'hui, LIGO-Virgo-KAGRA est un réseau mondial de détecteurs d'ondes gravitationnelles avancés et approche de la fin de sa quatrième campagne d'observation, O4.
L’opération actuelle a débuté fin mai 2023 et devrait se poursuivre jusqu’à la mi-novembre de cette année. À ce jour, environ 300 fusions de trous noirs ont été observées grâce aux ondes gravitationnelles, y compris les candidats identifiés lors de l'exécution O4 en cours et qui attendent une validation finale.
De plus, dans le cas de l'observation annoncée aujourd'hui, la précision avec laquelle GW241011 a été mesuré a également permis des prédictions clés d'Einstein’La théorie de la relativité générale doit être testée dans des conditions extrêmes.
En fait, cet événement peut être comparé aux prédictions d'Einstein’s théorie et mathématicien Roy Kerr’C'est la solution pour faire tourner les trous noirs. Le trou noir’Sa rotation rapide le déforme légèrement, laissant une empreinte caractéristique dans les ondes gravitationnelles qu’il émet.
En analysant GW241011, l'équipe de recherche a trouvé un excellent accord avec Kerr’s solution et vérifié, une fois de plus, Einstein’s prédiction, mais avec une précision sans précédent.
De plus, comme les masses des trous noirs individuels diffèrent considérablement, le signal d'onde gravitationnelle contient le « bourdonnement » d'une harmonique supérieure, similaire aux harmoniques des instruments de musique, observés seulement pour la troisième fois dans GW241011. L'une de ces harmoniques a été observée avec une superbe clarté et confirme une autre prédiction d'Einstein’la théorie.
« Cette découverte signifie aussi que nous’sommes plus sensibles que jamais à toute nouvelle physique qui pourrait se situer au-delà d'Einstein’C'est une théorie », explique Haster.
Recherche avancée de particules élémentaires
Les trous noirs en rotation rapide comme ceux observés dans cette étude ont encore une autre application : en physique des particules. Les scientifiques peuvent les utiliser pour vérifier si certaines particules élémentaires légères hypothétiques existent et quelle est leur masse.
Ces particules, appelées bosons ultralégers, sont prédites par certaines théories qui vont au-delà du modèle standard de la physique des particules, qui décrit et classe toutes les particules élémentaires connues. Si des bosons ultralégers existent, ils peuvent extraire l’énergie de rotation des trous noirs. La quantité d’énergie extraite et le ralentissement de la rotation des trous noirs au fil du temps dépendent de la masse de ces particules, qui est encore inconnue.
L’observation selon laquelle le trou noir massif du système binaire qui a émis GW241011 continue de tourner rapidement même des millions ou des milliards d’années après sa formation exclut une large gamme de masses de bosons ultralégers.
« La détection et l'inspection de ces deux événements démontrent à quel point il est important de faire fonctionner nos détecteurs en synergie et de s'efforcer d'améliorer leurs sensibilités », déclare Francesco Pannarale, professeur à Sapienza-Université de Rome et coprésident de la Division des sciences observationnelles des collaborations LIGO-Virgo-KAGRA.
« Les instruments LIGO et Virgo nous en ont appris encore davantage sur la façon dont les trous noirs binaires peuvent se former dans notre univers », ajoute-t-il, « ainsi que sur la physique fondamentale qui les régule à l'essence même. En améliorant nos instruments, nous pourrons approfondir ces aspects et d'autres grâce à la précision accrue de nos mesures. »
