Après la collision de trous noirs, un flash énigmatique

Un surprenant sursaut de lumière est apparu dans le ciel en même temps qu’une collision de 2 trous noirs. Est-ce que ce flash était une simple coïncidence cosmique ou est-ce qu’il va forcer les astrophysiciens à repenser les capacités d’un trou noir.


Le télescope Fermi a détecté un sursaut de rayon gamme en même temps que l'onde gravitationnelle. Est-ce qu'un trou noir peut émettre de la lumière ?

Traduction de l’article publié sur Quanta Magazine

Le 14 septembre 2015, quasiment en même temps que 2 détecteurs d’ondes gravitationnelles ont entendu le dernier râle de la collision de 2 trous noirs, on a eu une autre observation beaucoup plus intrigante. À 500 kilomètres de la surface de la Terre, le télescope spatial Fermi a enregistré un sursaut de rayons gamma qui est une forme de lumière à haute énergie. Le signal était si faible que les scientifiques de la NASA ne l’ont pas détecté tout de suite.

Le LIGO a détecté un événement lumineux, parfaitement clair dans leurs données et nous avons vu un petit Blip dans nos données et c’est uniquement crédible parce que c’est arrivé au même moment que l’onde gravitationnelle selon Valerie Connaughton, un membre de l’équipe de Fermi. Le 11 février 2016, l’équipe de Fermi a posté un papier sur arxiv décrivant le sursaut de rayons gamma en spéculant qu’il a été émis par la même collision de trous noirs que celle qui avait provoqué l’onde gravitationnelle observée par le LIGO. La corrélation, qui est loin d’être confirmée, va étirer de nombreuses suppositions dans la physique. Depuis très longtemps, les astrophysiciens pensent que les trous noirs existent dans le vide, car ils tendent à avaler toute la matière environnante. Cette absence de matière signifie qu’il est impossible pour 2 trous noirs en collision de générer un flash de lumière.

Les sursauts de rayons gamma se produisent quand une étoile massive s'effondre pour former un trou noir. Ce processus propulse 2 jets de particule à quasiment la vitesse de la lumière.

Les sursauts de rayons gamma se produisent quand une étoile massive s’effondre pour former un . Ce processus propulse 2 jets de particule à quasiment la vitesse de la lumière.

Si vous n’avez pas de particules chargées, alors vous n’avez pas de champ magnétique et vous n’avez pas de radiation électromagnétique selon Adam Burrows, un astrophysicien de l’université de Princeton. C’est un système très propre. Mais le sursaut de rayon gamma, détecté par Fermi, suggère que l’environnement entourant une paire de trous noirs n’est pas aussi vide que ça. Dans les jours qui ont suivi la publication du papier par l’équipe de Fermi, un certain nombre d’astrophysiciens ont proposé des explications théoriques sur comment la matière peut persister à côté de trous noirs et qu’elle soit suffisamment concentrée pour générer un sursaut de rayon gamma. Ces théories exploitent l’imagination de l’ à son paroxysme qu’on va combiner avec un événement historique, car ce flash de lumière est vraiment unique en son genre.

Une coïncidence cosmique ?

Les rayons gamma concernent l’extrémité du spectre électromagnétique. Parmi toutes les variétés de lumière, les rayons gamma possèdent les longueurs d’onde les plus courtes, la plus grande fréquence et la plus grande énergie. Ils possèdent des millions de fois plus d’énergie que le rayon ultraviolet. Il faut des conditions extrêmes pour créer une telle énergie et on connait seulement 2 événements astrophysiques qui sont capables de les générer. Le premier est l’effondrement d’une étoile massive dans un trou noir. Quand le cœur stellaire s’effondre sur lui-même, il épluche son enveloppe de matière et il forme des jets violents d’énergie qui propulse la matière quasiment à la vitesse de la lumière. C’est ce qu’on appelle des sursauts de rayons gamma longs qui comptent pour 80 % de tous les rayons gamma et ils durent environ 20 secondes.

Le second événement, capable de créer un sursaut de rayon gamma, est la fusion de 2 objets très compacts tels qu’une paire d’étoiles à neutrons ou une étoile à neutrons et un trou noir. Dans le cas de l’étoile et du trou noir, la matière de l’étoile forme un anneau de matière appelé un disque d’accrétion autour du trou noir. Quand la matière du disque d’accrétion tombe dans le trou noir, alors des jets d’énergie se forment sur l’axe de la fusion. Le résultat est un sursaut de rayon gamma court d’une durée de 2 secondes. Les sursauts de rayon gamma sont les événements les plus pyrotechniques de l’univers avec des explosions qu’on ne peut même pas imaginer. Ils permettent aussi à des astrophysiciens de voir des événements cosmiques cachés.

Les sursauts de rayon gamma courts nous permettent de voir des objets sombres selon Connaughton. Quand ces objets fusionnent, ils produisent un jet violet de particules énergétiques et nous pouvons voir la violence dans un phénomène qui serait beaucoup plus sombre en temps normal. Le 14 septembre 2015, Fermi a détecté un événement court qui a été enregistré comme un Blip. Il était si faible que l’équipe ne l’a pas détecté immédiatement. Mais quand ils ont appris la détection de l’onde gravitationnelle par le LIGO, ils ont de nouveau analysé leurs données pour voir si Fermi avait entendu quelque chose d’intéressant en même temps. En utilisant un algorithme développé par Lindy Blackburn, une astronome du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics et membre du LIGO, les scientifiques du Fermi ont cherché un signal très faible dans leurs données. Et ils l’ont vu, un sursaut de rayon gamma qui est arrivé 0,4 seconde après l’onde gravitationnelle et ce sursaut a duré une seconde. Il avait les caractéristiques d’un sursaut de rayon gamma court et à ses origines, il possédait une quantité d’énergie qui était 10 000 trillions de fois plus importante à celle que le soleil produirait dans le même intervalle.

Le débat fait encore rage si ce sursaut de rayon gamma était réel ou que c’était une erreur de détection ou encore si c’est lié à l’onde gravitationnelle. Depuis le papier publié par Fermi, les théories les plus folles débarquent les unes après les autres. L’équipe a établi que le sursaut de rayon gamma a été émis depuis une région du ciel d’une superficie de 2 000 degrés carrés. Combiné avec les 600 degrés de la localisation du LIGO, la direction d’origine a été réduite à une région du ciel de 200 degrés carrés et cela suggère que le sursaut de rayon gamma et l’onde gravitationnelle ont été émis de la même place. Et le Timing de l’événement supporte cette théorie. Fermi a détecté les blips de cette magnitude toutes les 10 000 secondes (toutes les 2 heures et 47 minutes) et il est peu probable que les 2 événements, le sursaut de rayon et l’onde gravitationnelle, soient une coïncidence.

Vidéo : Dans cette simulation informatique en vidéo, une étoile massive en rotation rapide s’effondre pour former une paire de trous noirs qui vont se fusionner pour former un trou noir unique. C’est un scénario pour expliquer comment des trous noirs en collision peuvent produire un sursaut de rayon gamma.

C’est une possibilité faible, mais ce n’est pas impossible que ce soit juste la chance selon Connaughton. C’est pourquoi nous sommes circonspects sur le fait de dire que c’est une contrepartie de l’événement du LIGO. Le résultat est un signal de sigma 3 et ce n’est pas quelque chose qu’on doit envisager sérieusement en temps normal. Et en même temps que la détection de Fermi, l’Integral, un autre détecteur de rayon gamma de l’Agence Spatiale Européenne, n’a rien observé. Pour Carlo Ferrigno, un membre de l’équipe d’Integral, il est peu probable que le sursaut détecté par Fermi soit lié à l’onde gravitationnelle.

Et sur un plan plus fondamental, l’équipe de Fermi est réticente à lier ces 2 événements parce que la collision de 2 trous noirs n’est pas supposée générer de la lumière. On peut émettre toutes les théories, mais celle-là ne cadre pas avec la physique et c’est un sacré problème. Mais on doit admettre que la physique a un problème ou plutôt une énigme.

Pour produire un sursaut de rayon gamma, vous avez besoin d’une matière conventionnelle comme un disque d’accrétion autour de l’objet fusionné selon John Ellis, un physicien des particules à College London. On peut trouver de la matière autour de la fusion d’étoiles à neutron, mais ce n’est pas si évident autour de trous noirs. La détection de Fermi sera confirmée au fil du temps. Le LIGO va trouver d’autres ondes gravitationnelles et l’équipe de Fermi va chercher des sursauts de rayon gamma correspondants et s’ils les trouvent, alors on tiendra quelque chose.

La construction de trous noirs lumineux

Dans le même temps, les astrophysiciens tentent d’expliquer la présence de matière suffisante autour d’une paire de trous noirs pour produire un sursaut de rayon gamma. Bing Zhang, un astrophysicien de l’université du Nebada, a spéculé que si l’un ou les 2 trous noirs contenaient une charge, alors cette charge pourrait suffire pour créer un champ magnétique afin de générer le sursaut de rayon gamma. Mais selon un consensus, les trous noirs n’ont pas de charge mesurable.

Une autre théorie vient de Rosalba Perna, une astrophysicienne de l’université Stony Brook. Dans un papier publié sur arxiv le 16 février 2016, elle et 2 collègues spéculent que 2 étoiles massives se sont verrouillées ensemble dans un système binaire en formant 2 trous noirs. Quand la seconde étoile massive dans le système binaire meurt, alors les débris de son enveloppe pourraient s’effondrer dans le coeur et créer un disque d’accrétion. Ensuite, quand la fusion commence, l’autre trou noir entrerait dans ce disque en alimentant un sursaut de rayon gamma.

Mais Avi Loeb, le président du département d’astronomie d’Harvard, propose une troisième théorie beaucoup plus intéressante. Dans un papier publié le 15 février sur arxiv et qui a été ensuite accepté dans la revue Astrophysical Journal Letters, Loeb décrit comment une paire de trous noirs auraient pu se générer simultanément à l’intérieur d’une étoile qui serait 100 fois plus large que le soleil. Selon sa vision, cette étoile massive est la combinaison de 2 étoiles plus petites. Les conditions de cette fusion ont provoqué une rotation rapide de l’étoile. Quand elle a commencé à s’effondrer, la force centrifuge de la rotation a provoqué le fractionnement de son coeur en 2 morceaux dans une forme d’haltère et chaque morceau est devenu un trou noir. Et les 2 trous noirs se sont enlacés dans le reste de l’étoile massive. Pour illustrer, c’est comme des jumeaux dans le ventre d’une mère et quand ils se réunissent, ils forment un seul trou noir.

Les 2 trous noirs dans le scénario de Loeb pourraient fusionner, mais comme la fusion se produit à l’intérieur d’une étoile massive, il y aurait suffisamment de matière pour alimenter le sursaut de rayon gamma. En fait, Loeb imagine une masse équivalente à celle du soleil qui tomberait dans le nouveau trou noir chaque seconde pendant la durée de la fusion. Le papier de Loeb est assez hallucinant et s’il tient la route, alors cela demandera une refonte complète de l’astrophysique. On n’a jamais vu une étoile massive avec une rotation rapide. De plus, la rotation rapide, provoquant une forme d’haltère, est tout aussi nouvelle puisqu’en général, cette rotation crée des disques plats avec des bras en spirale. L’année prochaine, Loeb et les autres vont effectuer des simulations informatiques pour générer les conditions décrites par le papier. Mais certains de ses collègues sont sceptiques.

Personnellement, je pense qu’on tire le bouchon un peu trop loin selon Burrows. On utilise beaucoup de contes de fées pour expliquer une détection qui est loin d’être confirmée. Mais d’autres pensent que le papier de Loeb mène l’astrophysique dans la bonne direction indépendamment de la confirmation ou non du signal.

Comme toujours dans la science, il y a toujours des découvertes importantes. Cette fois, il s’agit du LIGO et on a de nouvelles idées selon Volker Bromm, un astrophysicien de l’université du Texas. Je pense que le papier d’Avi est excellent, car il se concentre sur ce qu’on a besoin d’accomplir. C’est une théorie plausible. Il faudra attendre pour confirmer ou non la détection par Fermi. Et si c’est vrai, alors on aura de nouvelles théories pour expliquer comment la fusion de 2 trous noirs peut créer un sursaut de rayon gamma. Cela pourrait ressembler aux théories de Loeb, Zhang ou Perna ou ce sera complètement différent. Mais il est certain que dans une ère post-Ligo, la science a encore beaucoup à faire, car on commence seulement à effleurer la surface des événements cosmiques les plus mystérieux et les plus spectaculaires de notre univers.

 

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Jacqueline Charpentier

Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

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