Billard trou noir au centre des galaxies

Les trous noirs sont l’un des objets les plus fascinants de l’Univers, mais notre connaissance d’eux est encore limitée, notamment parce qu’ils n’émettent aucune lumière. Jusqu’à il y a quelques années, la lumière était notre principale source de connaissances sur notre univers et ses trous noirs, jusqu’à ce que le Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) en 2015 fasse son observation révolutionnaire des ondes gravitationnelles issues de la fusion de deux trous noirs.

“Mais comment et où dans notre Univers ces trous noirs se forment-ils et fusionnent-ils ? Est-ce que cela se produit lorsque des étoiles proches s’effondrent et se transforment toutes les deux en trous noirs, est-ce par des rencontres fortuites dans des amas d’étoiles, ou est-ce autre chose ? les questions clés de la nouvelle ère de l’astrophysique des ondes gravitationnelles », déclare Assist. Le professeur Johan Samsing de l’Institut Niels Bohr de l’Université de Copenhague, auteur principal de l’article.

Lui et ses collaborateurs ont peut-être maintenant fourni une nouvelle pièce au puzzle, qui résout peut-être la dernière partie d’un mystère avec lequel les astrophysiciens se débattent depuis quelques années.

Découverte inattendue en 2019

Le mystère remonte à 2019, lorsqu’une découverte inattendue d’ondes gravitationnelles a été faite par les observatoires LIGO et Virgo. L’événement nommé GW190521 est comprise comme la fusion de deux trous noirs, qui non seulement étaient plus lourds qu’on ne le pensait physiquement possible, mais avaient en plus produit un éclair de lumière.

Des explications possibles ont depuis été fournies pour ces deux caractéristiques, mais les ondes gravitationnelles ont également révélé une troisième caractéristique étonnante de cet événement, à savoir que les trous noirs ne se sont pas mis en orbite le long d’un cercle dans les instants précédant la fusion.

“L’événement d’onde gravitationnelle GW190521 est la découverte la plus surprenante à ce jour. Les masses et les spins des trous noirs étaient déjà surprenants, mais encore plus surprenants, ils semblaient ne pas avoir d’orbite circulaire menant à la fusion », explique le co-auteur Imre Bartos, professeur à l’Université de Floride.

Mais pourquoi une orbite non circulaire est-elle si inhabituelle et inattendue ?

“Cela est dû à la nature fondamentale des ondes gravitationnelles émises, qui non seulement rapprochent la paire de trous noirs pour qu’ils finissent par fusionner, mais agissent également pour circulariser leur orbite.” explique le co-auteur Zoltan Haiman, professeur à l’Université de Columbia.

Cette observation a amené de nombreuses personnes à travers le monde, dont Johan Samsing à Copenhague, à se demander,

“Cela m’a fait commencer à réfléchir à la façon dont de telles fusions non circulaires (appelées “excentriques”) peuvent se produire avec la probabilité étonnamment élevée comme le suggère l’observation”, déclare Johan Samsing.

Il faut trois pour Tango

Une réponse possible se trouverait dans l’environnement hostile des centres de galaxies abritant un trou noir géant de millions de fois la masse du Soleil entouré d’un disque de gaz plat et rotatif.

“Dans ces environnements, la vitesse et la densité typiques des trous noirs sont si élevées que des trous noirs plus petits rebondissent comme dans un jeu de billard géant et que de larges binaires circulaires ne peuvent pas exister”, souligne le co-auteur, le professeur Bence Kocsis de l’Université d’Oxford. .

Mais comme le groupe l’a soutenu, un trou noir géant n’est pas suffisant : « De nouvelles études montrent que le disque de gaz joue un rôle important dans la capture de trous noirs plus petits, qui au fil du temps se rapprochent du centre et se rapprochent également les uns des autres. implique seulement qu’ils se rencontrent et forment des paires, mais aussi qu’une telle paire pourrait interagir avec un autre, troisième, trou noir, conduisant souvent à un tango chaotique avec trois trous noirs volant autour », explique l’astrophysicien Hiromichi Tagawa de l’Université de Tohoku, co-auteur de l’étude.

Cependant, toutes les études antérieures jusqu’à l’observation de GW190521 ont indiqué que la formation de fusions excentriques de trous noirs est relativement rare. Cela soulève naturellement la question : pourquoi la source d’ondes gravitationnelles déjà inhabituelle GW190521 aussi fusionner sur une orbite excentrique ?

Billard à trou noir bidimensionnel

Tout ce qui a été calculé jusqu’à présent était basé sur la notion que les interactions des trous noirs se déroulent en trois dimensions, comme prévu dans la majorité des systèmes stellaires considérés jusqu’à présent.

“Mais ensuite, nous avons commencé à réfléchir à ce qui se passerait si les interactions des trous noirs avaient plutôt lieu dans un disque plat, ce qui est plus proche d’un environnement bidimensionnel. Étonnamment, nous avons trouvé dans cette limite que la probabilité de former une fusion excentrique augmente jusqu’à 100 fois, ce qui conduit à ce qu’environ la moitié de toutes les fusions de trous noirs dans de tels disques soient peut-être excentriques », déclare Johan Samsing et poursuit :

“Et cette découverte correspond incroyablement bien à l’observation de 2019, qui dans l’ensemble indique maintenant que les propriétés autrement spectaculaires de cette source ne sont plus si étranges, si elle a été créée dans un disque de gaz plat entourant un noir super massif trou dans un noyau galactique.”

Cette solution possible ajoute également à un problème centenaire en mécanique, “L’interaction entre 3 objets est l’un des problèmes les plus anciens de la physique, que Newton, moi-même et d’autres ont intensément étudié. Cela semble maintenant jouer un rôle crucial dans la façon dont les trous noirs fusionnent dans certains des endroits les plus extrêmes de notre univers est incroyablement fascinant », déclare le co-auteur Nathan W. Leigh, professeur à l’Université de Concepción, au Chili.

Trous noirs dans les disques gazeux

La théorie du disque de gaz correspond également aux explications d’autres chercheurs sur les deux autres propriétés déroutantes de GW190521. Les grandes masses du trou noir ont été atteintes par fusions successives à l’intérieur du disque, tandis que l’émission de lumière pourrait provenir du gaz ambiant.

“Nous avons maintenant montré qu’il peut y avoir une énorme différence entre les signaux émis par les trous noirs qui fusionnent dans des disques plats et bidimensionnels, par rapport à ceux que nous considérons souvent dans les systèmes stellaires tridimensionnels, ce qui nous indique que nous avons maintenant un supplément outil que nous pouvons utiliser pour apprendre comment les trous noirs se créent et fusionnent dans notre Univers », explique Johan Samsing.

Mais cette étude n’est que le début. “Les gens travaillent depuis de nombreuses années sur la compréhension de la structure de ces disques de gaz, mais le problème est difficile. Nos résultats sont sensibles à la planéité du disque et à la façon dont les trous noirs se déplacent dans Le temps nous dira si nous en apprendrons plus sur ces disques, une fois que nous aurons une plus grande population de fusions de trous noirs, y compris des cas plus inhabituels similaires à GW190521. Pour permettre cela, nous devons nous appuyer sur notre découverte maintenant publiée et voir où elle nous mène dans ce domaine nouveau et passionnant », conclut le co-auteur Zoltan Haiman.