Deux étoiles massives se touchant dans une galaxie voisine sont en passe de devenir des trous noirs qui finiront par s’écraser ensemble, générant des ondes dans le tissu de l’espace-temps, selon une nouvelle étude menée par des chercheurs de l’UCL et de l’Université de Potsdam. —

L’étude, acceptée pour publication dans la revue Astronomie & Astrophysiquea examiné une étoile binaire connue (deux étoiles en orbite autour d’un centre de gravité commun), analysant la lumière des étoiles obtenue à partir d’une gamme de télescopes terrestres et spatiaux.

Les chercheurs ont découvert que les étoiles, situées dans une galaxie naine voisine appelée le petit nuage de Magellan, sont en contact partiel et échangent du matériel les unes avec les autres, une étoile se “nourrissant” actuellement de l’autre. Elles tournent l’une autour de l’autre tous les trois jours et sont les étoiles de contact les plus massives (appelées binaires de contact) jamais observées.

En comparant les résultats de leurs observations avec des modèles théoriques d’évolution d’étoiles binaires, ils ont découvert que, dans le modèle le mieux ajusté, l’étoile qui se nourrit actuellement deviendra un trou noir et se nourrira de son étoile compagne. L’étoile survivante deviendra un trou noir peu de temps après.

Ces trous noirs se formeront en seulement quelques millions d’années, mais orbiteront ensuite pendant des milliards d’années avant d’entrer en collision avec une telle force qu’ils généreront des ondes gravitationnelles – des ondulations dans le tissu de l’espace-temps – qui pourraient théoriquement être détecté avec des instruments sur Terre.

Le doctorant Matthew Rickard (UCL Physics & Astronomy), auteur principal de l’étude, a déclaré: “Grâce aux détecteurs d’ondes gravitationnelles Virgo et LIGO, des dizaines de fusions de trous noirs ont été détectées ces dernières années. Mais jusqu’à présent, nous n’avons pas encore observer les étoiles qui devraient s’effondrer dans des trous noirs de cette taille et fusionner dans une échelle de temps plus courte ou même largement comparable à l’âge de l’univers.

“Notre modèle le mieux adapté suggère que ces étoiles fusionneront en tant que trous noirs dans 18 milliards d’années. La découverte d’étoiles sur cette voie évolutive si proche de notre galaxie de la Voie lactée nous offre une excellente opportunité d’en apprendre encore plus sur la formation de ces binaires de trous noirs.”

Le co-auteur Daniel Pauli, doctorant à l’Université de Potsdam, a déclaré: “Cette étoile binaire est la binaire de contact la plus massive observée jusqu’à présent. L’étoile la plus petite, la plus brillante et la plus chaude, 32 fois la masse du Soleil, perd actuellement masse à son plus grand compagnon, qui a 55 fois la masse de notre Soleil.”

Les trous noirs que les astronomes voient fusionner aujourd’hui se sont formés il y a des milliards d’années, lorsque l’univers avait des niveaux inférieurs de fer et d’autres éléments plus lourds. La proportion de ces éléments lourds a augmenté à mesure que l’univers vieillissait, ce qui rend les fusions de trous noirs moins probables. En effet, les étoiles avec une proportion plus élevée d’éléments plus lourds ont des vents plus forts et elles s’effondrent plus tôt.

Le petit nuage de Magellan bien étudié, à environ 210 000 années-lumière de la Terre, possède par une bizarrerie de la nature environ un septième de l’abondance de fer et d’autres métaux lourds de notre propre galaxie de la Voie lactée. À cet égard, il imite les conditions du passé lointain de l’univers. Mais contrairement aux galaxies plus anciennes et plus éloignées, elle est suffisamment proche pour que les astronomes puissent mesurer les propriétés des étoiles individuelles et binaires.

Dans leur étude, les chercheurs ont mesuré différentes bandes de lumière provenant de l’étoile binaire (analyse spectroscopique), en utilisant des données obtenues sur plusieurs périodes de temps par des instruments sur le télescope spatial Hubble (HST) de la NASA et l’explorateur spectroscopique multi-unités (MUSE) sur l’ESO. Très grand télescope au Chili, parmi d’autres télescopes, dans des longueurs d’onde allant de l’ultraviolet à l’optique au proche infrarouge.

Avec ces données, l’équipe a pu calculer la vitesse radiale des étoiles – c’est-à-dire le mouvement qu’elles ont fait vers ou loin de nous – ainsi que leurs masses, leur luminosité, leur température et leurs orbites. Ils ont ensuite fait correspondre ces paramètres avec le modèle évolutif le mieux adapté.

Leur analyse spectroscopique a indiqué qu’une grande partie de l’enveloppe extérieure de la plus petite étoile avait été dépouillée par son plus grand compagnon. Ils ont également observé que le rayon des deux étoiles dépassait leur lobe de Roche – c’est-à-dire la région autour d’une étoile où la matière est gravitationnellement liée à cette étoile – confirmant qu’une partie de la matière de la plus petite étoile déborde et se transfère à l’étoile compagne.

Parlant de l’évolution future des étoiles, Rickard a expliqué : “La plus petite étoile deviendra d’abord un trou noir, dans aussi peu que 700 000 ans, soit par une explosion spectaculaire appelée supernova, soit elle peut être si massive qu’elle s’effondrera en un trou noir. trou sans explosion vers l’extérieur.

“Ils seront des voisins inquiets pendant environ trois millions d’années avant que le premier trou noir ne commence à accréditer la masse de son compagnon, se vengeant de son compagnon.”

Pauli, qui a dirigé les travaux de modélisation, a ajouté : “Après seulement 200 000 ans, un instant en termes astronomiques, l’étoile compagne s’effondrera également dans un trou noir. Ces deux étoiles massives continueront à orbiter l’une autour de l’autre, tournant en rond chaque quelques jours pendant des milliards d’années.

“Lentement, ils perdront cette énergie orbitale par l’émission d’ondes gravitationnelles jusqu’à ce qu’ils s’orbitent toutes les quelques secondes, fusionnant finalement ensemble dans 18 milliards d’années avec une énorme libération d’énergie par les ondes gravitationnelles.”