La collaboration Ligo-Virgo-Kagra (LVK) a détecté la fusion des trous noirs les plus massifs jamais observés avec des ondes gravitationnelles en utilisant les observatoires LIGO. La fusion puissante a produit un dernier trou noir environ 225 fois la masse de notre soleil. Le signal, désigné GW231123, a été détecté lors de la quatrième série d'observation du réseau LVK le 23 novembre 2023.
LIGO, l'observatoire à ondes gravitationnelles interféromètres laser, a fait l'histoire en 2015 lorsqu'il a fait la toute première détection directe des ondes gravitationnelles, ondulations dans l'espace-temps. Dans ce cas, les vagues émanaient d'une fusion de trou noir qui a entraîné un dernier trou noir 62 fois la masse de notre soleil. Le signal a été détecté conjointement par les détecteurs jumeaux de Ligo, l'un situé à Livingston, en Louisiane, et l'autre à Hanford, Washington.
Depuis lors, l'équipe LIGO s'est associée à des partenaires du détecteur Vierge en Italie et de Kagra (Kamioka Gravitation Wave Detector) au Japon pour former la collaboration LVK. Ces détecteurs ont collectivement observé plus de 200 fusions de trous noirs lors de leur quatrième manche, et environ 300 au total depuis le début de la première manche en 2015.
Avant maintenant, la fusion de trou noir la plus massive – produite par un événement qui a eu lieu en 2021 appelé GW190521 – avait une masse totale de 140 fois celle du soleil.
Dans l'événement GW231123 le plus récent, le trou noir de masse 225 a été créé par la coalescence des trous noirs chacun environ 100 et 140 fois la masse du soleil.
En plus de leurs hautes masses, les trous noirs tournent également rapidement.
« Il s'agit du binaire de trous noirs le plus massif que nous ayons observé à travers des ondes gravitationnelles, et il présente un véritable défi à notre compréhension de la formation de trous noirs », explique Mark Hannam de l'Université de Cardiff et membre de la collaboration LVK.
« Des trous noirs que Massive sont interdits par des modèles d'évolution stellaire standard. Une possibilité est que les deux trous noirs de ce binaire se sont formés à travers des fusions antérieures de trous noirs plus petits. »
Dave Reitze, le directeur exécutif de Ligo de Caltech, a déclaré: « Cette observation démontre une fois de plus comment les ondes gravitationnelles révèlent uniquement la nature fondamentale et exotique des trous noirs à travers l'univers. »
Un système record
La masse élevée et la rotation extrêmement rapide des trous noirs dans GW231123 repoussent les limites de la technologie de détection des ondes gravitationnelles et des modèles théoriques actuels. L'extraction d'informations précises du signal a nécessité l'utilisation de modèles qui tiennent compte de la dynamique complexe des trous noirs hautement en rotation.
« Les trous noirs semblent tourner très rapidement – n'expliquez pas la limite autorisée par la théorie de la relativité générale d'Einstein », explique Charlie Hoy de l'Université de Portsmouth et membre du LVK. « Cela rend le signal difficile à modéliser et à interpréter. C'est une excellente étude de cas pour faire avancer le développement de nos outils théoriques. »
Les chercheurs continuent d'affiner leur analyse et d'améliorer les modèles utilisés pour interpréter de tels événements extrêmes. « Il faudra des années à la communauté pour démêler pleinement ce modèle de signal complexe et toutes ses implications », explique Gregorio Carullo de l'Université de Birmingham et membre du LVK. « Malgré l'explication la plus probable restant une fusion de trou noir, des scénarios plus complexes pourraient être la clé pour déchiffrer ses fonctionnalités inattendues. Des moments passionnants à venir! »
Sonder les limites de l'astronomie à ondes gravitationnelles
Des détecteurs à ondes gravitationnelles tels que Ligo, Virgo et Kagra sont conçus pour mesurer les distorsions minuscules dans l'espace-temps causée par de violents événements cosmiques. La quatrième course d'observation a commencé en mai 2023 et des observations supplémentaires de la première moitié de la course (jusqu'en janvier 2024) seront publiées plus tard en été.
« Cet événement pousse nos capacités d'instrumentation et d'analyse des données au bord de ce qui est actuellement possible », explique Sophie Bini, chercheuse postdoctorale chez Caltech et membre du LVK. « C'est un exemple puissant de ce que nous pouvons apprendre de l'astronomie à ondes gravitationnelles – et à quel point il y a de plus à découvrir. »
GW231123 sera présenté à la 24e Conférence internationale sur la relativité générale et la gravitation (GR24) et la 16e conférence d'Edoardo Amaldi sur les ondes gravitationnelles tenues conjointement lors de la réunion GR-Amaldi à Glasgow, en Écosse, au Royaume-Uni, du 14 au 18 juillet, 2025. Science Center (GWOSC).
