Les trous noirs sont des objets astronomiques massifs, étranges et incroyablement puissants. Les scientifiques savent que les trous noirs supermassifs résident dans les centres de la plupart des galaxies.
Et ils comprennent comment certaines étoiles forment les trous noirs de masse stellaire relativement plus petits une fois qu'ils atteignent la fin de leur vie. Comprendre comment les plus petits trous noirs de masse stellaire pourraient former les trous noirs supermassifs aident les astronomes à découvrir comment l'univers grandit et évolue.
Mais il y a une question ouverte dans la recherche sur les trous noirs: qu'en est-il des trous noirs avec des masses entre les deux? Celles-ci sont beaucoup plus difficiles à trouver que leurs pairs stellaires et supermassives, dans une gamme de taille de quelques centaines à quelques centaines de milliers de fois la masse du soleil.
Nous sommes une équipe d'astronomes qui recherchent ces trous noirs intermédiaires, appelés trous noirs intermédiaires. Dans un nouvel article, deux d'entre nous (Krystal et Karan) se sont associés à un groupe de chercheurs, dont le chercheur postdoctoral Anjali Yelikar, pour regarder des ondulations en espace-temps pour repérer quelques-uns de ces trous noirs insaisissables.
Emmenez-moi au jeu de balle (vague gravitationnelle)
Pour avoir une idée intuitive de la façon dont les scientifiques détectent des trous noirs de masse stellaire, imaginez que vous êtes à un jeu de baseball où vous êtes assis directement derrière une grande colonne en béton et que vous ne pouvez pas voir le diamant. Pire encore, la foule est assouchante, il est donc presque impossible de voir ou d'entendre le jeu.
Mais vous êtes un scientifique, vous retirez donc un microphone de haute qualité et votre ordinateur et écrivez un algorithme informatique qui peut prendre des données audio et séparer le bruit de la foule du « thunk » d'une chauve-souris frappant une balle.
Vous commencez à enregistrer, et, avec suffisamment de pratique et de mises à jour de votre matériel et de votre logiciel, vous pouvez commencer à suivre le jeu, avoir une idée du moment où une balle est touchée, dans quelle direction il va, quand il frappe un gant, où les pieds des coureurs perdent dans la saleté et plus encore.
Certes, c'est un moyen difficile de regarder un match de baseball. Mais contrairement au baseball, lors de l'observation de l'univers, parfois la manière difficile est tout ce que nous avons.
Ce principe de l'enregistrement du son et de l'utilisation d'algorithmes informatiques pour isoler certaines ondes sonores pour déterminer ce qu'ils sont et d'où ils viennent est similaire à la façon dont les astronomes comme nous étudient les ondes gravitationnelles. Les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans l'espace-temps qui nous permettent d'observer des objets tels que des trous noirs.
Imaginez maintenant la mise en œuvre d'un algorithme sonore différent, en le testant sur plusieurs manches du jeu et en trouvant un coup particulier qu'aucune combinaison légale de chauves-souris et de balles n'aurait pu produire. Imaginez que les données suggèrent que le ballon était plus grand et plus lourd qu'un baseball légal. Si notre papier parlait d'un match de baseball au lieu de vagues gravitationnelles, c'est ce que nous aurions trouvé.
Écouter des ondes gravitationnelles
Alors que la configuration de l'enregistrement de baseball est conçue spécifiquement pour entendre les sons d'un jeu de baseball, les scientifiques utilisent un observatoire spécialisé appelé interféromètre laser à l'observatoire gravitationnel, ou ligo, pour observer le « son » de deux trous noirs fusionnant dans l'univers.
Les scientifiques recherchent les ondes gravitationnelles que nous pouvons mesurer à l'aide de LIGO, qui a l'un des systèmes laser et optiques les plus avancés de l'esprit jamais créés.
Dans chaque événement, deux trous noirs « parent » fusionnent dans un seul trou noir plus massif. À l'aide de données LIGO, les scientifiques peuvent déterminer où et à quelle distance la fusion s'est produite, à quel point les parents et les trous noirs résultants sont massifs, quelle direction dans le ciel s'est produit et d'autres détails clés.
La plupart des trous noirs parents dans les événements de fusion se forment à l'origine à partir d'étoiles qui ont atteint la fin de leur vie – ce sont des trous noirs de masse stellaire.
L'espace de masse du trou noir
Toutes les étoiles mourantes ne peuvent pas créer un trou noir de masse stellaire. Ceux qui le font se situe généralement entre environ 20 et 100 fois la masse du soleil. Mais en raison de la physique nucléaire compliquée, des étoiles vraiment massives explosent différemment et ne laissent pas du reste, un trou noir ou autre.
Cette physique crée ce que nous appelons «l'écart de masse» dans les trous noirs. Un trou noir plus petit s'est probablement formé à partir d'une étoile mourante. Mais nous savons qu'un trou noir plus massif que 60 fois la taille du soleil, bien qu'il ne soit pas un trou noir supermassif, est encore trop grand pour s'être formé directement à partir d'une étoile mourante.
Le seuil exact de l'écart de masse est encore quelque peu incertain, et de nombreux astrophysiciens travaillent sur des mesures plus précises. Cependant, nous sommes convaincus que les lacunes de masse existent et que nous sommes dans le stade de la frontière.
Nous appelons des trous noirs dans cet espace lite de masse intermédiaire trous noirs ou lite IMBHS, car ce sont les trous noirs les moins massifs que nous nous attendons à exister à partir de sources autres que les étoiles. Ils ne sont plus considérés comme des trous noirs de masse stellaire.
Les appeler « intermédiaires » ne capture pas non plus pourquoi ils sont spéciaux. Ils sont spéciaux parce qu'ils sont beaucoup plus difficiles à trouver. Les astronomes ne savent toujours pas quels événements astronomiques pourraient les créer, et ils comblent une lacune dans la connaissance des astronomes sur la façon dont l'univers grandit et évolue.
Preuve des IMBHS
Dans nos recherches, nous avons analysé 11 candidats de fusion Black Hole de la troisième course d'observation de Ligo. Ces candidats étaient peut-être des signaux d'ondes gravitationnels qui semblaient prometteurs mais qui avaient encore besoin d'analyses pour confirmer de manière concluante.
Les données suggèrent que pour les 11 que nous avons analysés, leur trou noir post-fusion final pourrait avoir été dans la gamme Lite IMBH. Nous avons trouvé cinq trous noirs post-fusion que notre analyse était confiante à 90% étaient des IMBH.
Encore plus critique, nous avons constaté que l'un des événements avait un trou noir parent qui se trouvait dans la gamme de masse, et deux avaient des trous noirs parents au-dessus de la gamme de masse. Puisque nous savons que ces trous noirs ne peuvent pas provenir directement d'étoiles, cette découverte suggère que l'univers a une autre façon de créer des trous noirs aussi massifs.
Un trou noir parent que ce massif est déjà le produit de deux autres trous noirs qui ont fusionné dans le passé, donc observer plus d'IMBH peut nous aider à comprendre à quelle fréquence les trous noirs sont capables de « se trouver » et de fusion dans l'univers.
Ligo est dans les étapes finales de sa quatrième course d'observation. Étant donné que ces travaux ont utilisé des données de la troisième exécution d'observation, nous sommes ravis d'appliquer notre analyse à ce nouvel ensemble de données. Nous nous attendons à continuer à rechercher Lite IMBHS, et avec ces nouvelles données, nous améliorerons notre compréhension de la façon de « entendre » ces signaux de trous noirs plus massifs au-dessus de tout le bruit.
Nous espérons que ce travail renforce non seulement le cas de Lite IMBHS en général, mais aide à faire la lumière sur la façon dont ils sont formés.
