Trous noirs en orbite excentrique


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  • Lorsque des trous noirs entrent en collision dans l’univers, le choc bouleverse l’espace et le temps : la quantité d’énergie libérée lors de la fusion est si importante qu’elle fait osciller l’espace-temps, semblable aux vagues à la surface de l’eau. Ces ondes gravitationnelles se sont propagées dans tout l’univers et peuvent encore être mesurées à des milliers d’années-lumière, comme ce fut le cas le 21 mai 2019, lorsque les deux observatoires d’ondes gravitationnelles LIGO (USA) et Virgo (Italie) ont capté un tel signal. Baptisé GW190521 d’après la date de sa découverte, l’événement d’onde gravitationnelle a depuis suscité des discussions parmi les experts car il diffère nettement des signaux mesurés précédemment.

    Le signal avait initialement été interprété comme signifiant que la collision impliquait deux trous noirs se déplaçant sur des orbites quasi circulaires l’un autour de l’autre. « De tels systèmes binaires peuvent être créés par un certain nombre de processus astrophysiques », explique le professeur Sebastiano Bernuzzi, physicien théoricien de l’Université d’Iéna, en Allemagne. La plupart des trous noirs découverts par LIGO et Virgo, par exemple, sont d’origine stellaire. « Cela signifie qu’ils sont les restes d’étoiles massives dans des systèmes d’étoiles binaires », ajoute Bernuzzi, qui a dirigé l’étude actuelle. De tels trous noirs tournent les uns autour des autres sur des orbites quasi circulaires, tout comme les étoiles d’origine le faisaient auparavant.

    Un trou noir en capture un second

    « GW190521 se comporte cependant de manière très différente », explique Rossella Gamba. L’auteur principal de la publication fait son doctorat au Jena Research Training Group 2522 et fait partie de l’équipe de Bernuzzi. « Sa morphologie et sa structure en forme d’explosion sont très différentes des observations précédentes. » Ainsi, Rossella Gamba et ses collègues ont entrepris de trouver une autre explication au signal d’onde gravitationnelle inhabituel. En utilisant une combinaison de méthodes analytiques de pointe et de simulations numériques sur des supercalculateurs, ils ont calculé différents modèles pour la collision cosmique. Ils sont arrivés à la conclusion que cela devait s’être produit sur une trajectoire fortement excentrique au lieu d’une trajectoire quasi-circulaire. Un trou noir se déplace initialement librement dans un environnement relativement dense en matière et, dès qu’il s’approche d’un autre trou noir, il peut être « capturé » par le champ gravitationnel de l’autre. Cela conduit également à la formation d’un système binaire, mais ici les deux trous noirs n’orbitent pas dans un cercle, mais se déplacent de manière excentrique, dans des mouvements de culbute l’un autour de l’autre.

    « Un tel scénario explique les observations bien mieux que toute autre hypothèse présentée jusqu’à présent. La probabilité est de 1:4300 », explique Matteo Breschi, doctorant et co-auteur de l’étude, qui a développé l’infrastructure de l’analyse. Et le chercheur postdoctoral, le Dr Gregorio Carullo, ajoute : « Même si nous ne savons pas exactement à quel point ces mouvements dynamiques des trous noirs sont courants, nous ne nous attendons pas à ce qu’ils se produisent fréquemment. » Cela rend les résultats actuels d’autant plus excitants, ajoute-t-il. Néanmoins, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour clarifier sans aucun doute les processus qui ont créé GW190521.

    Travail d’équipe dans le groupe de formation à la recherche

    Pour le projet actuel, les équipes de Turin et d’Iéna (dans le cadre du groupe de formation de recherche d’Iéna financé par la Fondation allemande pour la recherche 2522 « Dynamique et criticité dans les systèmes quantiques et gravitationnels ») ont développé un cadre relativiste général pour la fusion excentrique des trous noirs et vérifié les prédictions analytiques à l’aide de simulations des équations d’Einstein. Pour la première fois, des modèles de rencontres dynamiques ont été utilisés dans l’analyse des données d’observation des ondes gravitationnelles.

    Source de l’histoire :

    Matériaux fourni par Université Friedrich-Schiller d’Iéna. Original écrit par Ute Schönfelder. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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