En exploitant des outils de simulation avancés, une équipe de scientifiques de l’UNIGE, de la Northwestern University et de l’Université de Floride a mis en lumière la nature énigmatique de ces “bêtes” célestes. —

Les trous noirs de masse stellaire sont des objets célestes nés de l’effondrement d’étoiles dont la masse va de quelques centaines de fois à celle de notre soleil. Leur champ gravitationnel est si intense que ni la matière ni le rayonnement ne peuvent leur échapper, ce qui rend leur détection extrêmement difficile. Par conséquent, lorsque les minuscules ondulations dans l’espace-temps produites par la fusion de deux trous noirs ont été détectées en 2015 par l’Observatoire d’interféromètre laser à ondes gravitationnelles (LIGO), elles ont été saluées comme un moment décisif. Selon les astrophysiciens, les deux trous noirs fusionnés à l’origine du signal avaient environ 30 fois la masse du soleil et étaient situés à 1,5 milliard d’années-lumière.

Faire le pont entre la théorie et l’observation

Quels mécanismes produisent ces trous noirs ? Sont-ils le produit de l’évolution de deux étoiles, semblables à notre soleil mais nettement plus massives, évoluant au sein d’un système binaire ? Ou résultent-ils de trous noirs dans des amas d’étoiles densément peuplés se rencontrant par hasard ? Ou un mécanisme plus exotique pourrait-il être impliqué ? Toutes ces questions sont encore âprement débattues aujourd’hui.

La collaboration POSYDON, une équipe de scientifiques d’institutions telles que l’Université de Genève (UNIGE), Northwestern et l’Université de Floride (UF), a fait des progrès significatifs dans la simulation des populations d’étoiles binaires. Ces travaux contribuent à fournir des réponses plus précises et à concilier les prédictions théoriques avec les données d’observation. “Comme il est impossible d’observer directement la formation de trous noirs binaires fusionnés, il est nécessaire de s’appuyer sur des simulations qui reproduisent leurs propriétés d’observation. Nous le faisons en simulant les systèmes d’étoiles binaires depuis leur naissance jusqu’à la formation du trou noir binaire. systèmes », explique Simone Bavera, chercheuse post-doctorale au Département d’astronomie de la Faculté des sciences de l’UNIGE et auteur principal de cette étude.

Repousser les limites de la simulation

Interpréter les origines de la fusion des trous noirs binaires, tels que ceux observés en 2015, nécessite de comparer les prédictions théoriques des modèles avec les observations réelles. La technique utilisée pour modéliser ces systèmes est connue sous le nom de “synthèse de population binaire”. “Cette technique simule l’évolution de dizaines de millions de systèmes d’étoiles binaires afin d’estimer les propriétés statistiques de la population source d’ondes gravitationnelles résultante. Cependant, pour y parvenir dans un délai raisonnable, les chercheurs se sont jusqu’à présent appuyés sur des modèles qui utilisent des méthodes approximatives pour simuler l’évolution des étoiles et leurs interactions binaires. Ainsi, la simplification excessive de la physique stellaire simple et binaire conduit à des prédictions moins précises”, explique Anastasios Fragkos, maître de conférences au Département d’astronomie de la Faculté des sciences de l’UNIGE.

POSYDON a surmonté ces limitations. Conçu comme un logiciel open source, il s’appuie sur une vaste bibliothèque précalculée de simulations détaillées d’étoiles uniques et binaires pour prédire l’évolution de systèmes binaires isolés. Chacune de ces simulations détaillées peut prendre jusqu’à 100 heures CPU pour s’exécuter sur un superordinateur, ce qui rend cette technique de simulation non directement applicable à la synthèse de population binaire. “Cependant, en précalculant une bibliothèque de simulations qui couvrent l’ensemble de l’espace des paramètres des conditions initiales, POSYDON peut utiliser ce vaste ensemble de données ainsi que des méthodes d’apprentissage automatique pour prédire l’évolution complète des systèmes binaires en moins d’une seconde. Cette vitesse est comparable à celle des codes de synthèse rapide de population de la génération précédente, mais avec une précision améliorée », explique Jeffrey Andrews, professeur adjoint au Département de physique de l’UF.

Présentation d’un nouveau modèle

“Les modèles antérieurs à POSYDON prédisaient un taux de formation négligeable de trous noirs binaires fusionnés dans des galaxies similaires à la Voie lactée, et ils n’avaient en particulier pas anticipé l’existence de trous noirs fusionnés aussi massifs que 30 fois la masse de notre soleil. POSYDON a démontré que de tels trous noirs massifs pourraient exister dans des galaxies semblables à la Voie lactée “, explique Vicky Kalogera, professeur émérite de physique et d’astronomie Daniel I. Linzer au Département de physique et d’astronomie de Northwestern, directeur du Centre d’exploration et de recherche interdisciplinaires de Astrophysics (CIERA), et co-auteur de cette étude.

Les modèles précédents surestimaient certains aspects, comme l’expansion des étoiles massives, ce qui impacte leur perte de masse et les interactions binaires. Ces éléments sont des ingrédients clés qui déterminent les propriétés de la fusion des trous noirs. Grâce à des simulations de structures stellaires détaillées et d’interactions binaires entièrement auto-cohérentes, POSYDON obtient des prédictions plus précises de la fusion des propriétés des trous noirs binaires, telles que leurs masses et leurs spins.

Cette étude est la première à utiliser le nouveau logiciel open source POSYDON pour étudier la fusion de trous noirs binaires. Il fournit de nouvelles informations sur les mécanismes de formation de la fusion des trous noirs dans des galaxies comme la nôtre. L’équipe de recherche développe actuellement une nouvelle version de POSYDON, qui comprendra une plus grande bibliothèque de simulations stellaires et binaires détaillées, capable de simuler des binaires dans un plus large éventail de types de galaxies.