En février 2016, les scientifiques de l'Observatoire des ondes gravitationnelles des interféromètres laser (LIGO) ont marqué l'histoire en annonçant la toute première détection d'ondes gravitationnelles. Non seulement cette découverte a confirmé une prédiction centenaire faite par la théorie de la relativité générale d'Einstein, mais elle a également confirmé l'existence de trous noirs binaires stellaires - qui ont fusionné pour produire le signal en premier lieu.
Et maintenant, une équipe internationale dirigée par l'astrophysicien du MIT Carl Rodriguez a produit une étude qui suggère que les trous noirs peuvent fusionner plusieurs fois. Selon leur étude, ces «fusions de deuxième génération» se produisent probablement au sein de grappes globulaires, les grappes d'étoiles grandes et compactes qui orbitent généralement aux bords des galaxies - et qui sont densément emballées avec des centaines de milliers à des millions d'étoiles.
L'étude, intitulée «Dynamique post-newtonienne dans les amas d'étoiles denses: fusions de trous noirs binaires très excentriques, très tournantes et répétées», a récemment paru dans le Lettres d'examen physique. L'étude a été dirigée par Carl Rodriguez, boursier Pappalardo au Département de physique du MIT et à l'Institut Kavli d'astrophysique et de recherche spatiale, et comprenait des membres de l'Institut des sciences spatiales et du Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA).
Comme Carl Rodriguez l'a expliqué dans un récent communiqué de presse du MIT:
«Nous pensons que ces amas se sont formés avec des centaines à des milliers de trous noirs qui se sont rapidement enfoncés au centre. Ces types de clusters sont essentiellement des usines de binaires de trous noirs, où vous avez tellement de trous noirs qui traînent dans une petite région de l'espace que deux trous noirs pourraient fusionner et produire un trou noir plus massif. Ensuite, ce nouveau trou noir peut trouver un autre compagnon et fusionner à nouveau. »
Les amas globulaires sont une source de fascination depuis que les astronomes les ont observés pour la première fois au 17e siècle. Ces collections sphériques d'étoiles figurent parmi les plus anciennes étoiles connues de l'Univers et se retrouvent dans la plupart des galaxies. Selon la taille et le type de galaxie en orbite, le nombre d'amas varie, les galaxies elliptiques hébergeant des dizaines de milliers tandis que les galaxies comme la Voie lactée en ont plus de 150.
Depuis des années, Rodriguez étudie le comportement des trous noirs au sein des amas globulaires pour voir s'ils interagissent avec leurs étoiles différemment des trous noirs qui occupent des régions moins densément peuplées de l'espace. Pour tester cette hypothèse, Rodriguez et ses collègues ont utilisé le supercalculateur Quest de la Northwestern University pour effectuer des simulations sur 24 amas stellaires.
La taille de ces amas variait de 200 000 à 2 millions d'étoiles et couvrait une gamme de densités et de compositions métalliques différentes. Les simulations ont modélisé l'évolution d'étoiles individuelles au sein de ces amas au cours de 12 milliards d'années. Ce laps de temps était suffisant pour suivre ces étoiles lorsqu'elles interagissaient entre elles et finissaient par former des trous noirs.
Les simulations ont également modélisé l'évolution et les trajectoires des trous noirs une fois qu'ils se sont formés. Comme l'a expliqué Rodriguez:
«La chose intéressante est que, parce que les trous noirs sont les objets les plus massifs de ces grappes, ils s'enfoncent au centre, où vous obtenez une densité suffisamment élevée de trous noirs pour former des binaires. Les trous noirs binaires sont essentiellement comme des cibles géantes qui traînent dans l'amas, et lorsque vous leur lancez d'autres trous noirs ou étoiles, ils subissent ces rencontres chaotiques et folles. »
Alors que les simulations précédentes étaient basées sur la physique de Newton, l'équipe a décidé d'ajouter les effets relativistes d'Einstein dans leurs simulations d'amas globulaires. Cela était dû au fait que les ondes gravitationnelles n'étaient pas prédites par les théories de Newton, mais par la théorie de la relativité générale d'Einstein. Comme Rodriguez l'a indiqué, cela leur a permis de voir comment les ondes gravitationnelles ont joué un rôle:
«Ce que les gens avaient fait dans le passé, c'était de traiter cela comme un problème purement newtonien. La théorie de la gravité de Newton fonctionne dans 99,9% des cas. Les quelques cas où cela ne fonctionne pas pourraient être lorsque vous avez deux trous noirs qui sifflent très étroitement, ce qui normalement ne se produit pas dans la plupart des galaxies… Dans la théorie de la relativité générale d'Einstein, où je peux émettre des ondes gravitationnelles, puis lorsqu'un trou noir passe près d'un autre, il peut en fait émettre une petite impulsion d'ondes gravitationnelles. Cela peut soustraire suffisamment d'énergie du système pour que les deux trous noirs deviennent réellement liés, puis ils fusionneront rapidement. »
Ce qu'ils ont observé, c'est qu'à l'intérieur des amas stellaires, les trous noirs se confondent pour créer de nouveaux trous noirs. Dans les simulations précédentes, la gravité newtonienne avait prédit que la plupart des trous noirs binaires seraient expulsés du cluster avant de pouvoir fusionner. Mais en tenant compte des effets relativistes, Rodriguez et son équipe ont constaté que près de la moitié des trous noirs binaires ont fusionné pour former des trous plus massifs.
Comme l'explique Rodriguez, la différence entre ceux qui ont fusionné et ceux qui ont été expulsés s'est résumée:
"Si les deux trous noirs tournent lorsqu'ils fusionnent, le trou noir qu'ils créent émettra des ondes gravitationnelles dans une seule direction préférée, comme une fusée, créant un nouveau trou noir qui peut tirer aussi vite que 5 000 kilomètres par seconde - donc, incroyablement rapide. Il suffit d'un coup de pied de quelques dizaines à cent kilomètres par seconde pour échapper à l'un de ces clusters. »
Cela a soulevé un autre fait intéressant sur les simulations précédentes, où les astronomes pensaient que le produit de toute fusion de trous noirs serait expulsé de l'amas, car la plupart des trous noirs sont supposés tourner rapidement. Cependant, les mesures des ondes de gravité récemment obtenues auprès de LIGO semblent contredire cela, qui n'a détecté que les fusions de trous noirs binaires avec de faibles spins.
Cette hypothèse, cependant, semble contredire les mesures de LIGO, qui n'a jusqu'à présent détecté que des trous noirs binaires avec de faibles spins. Pour tester les implications de cela, Rodriguez et ses collègues ont réduit les taux de rotation des trous noirs dans leurs simulations. Ce qu'ils ont découvert, c'est que près de 20% des trous noirs binaires des amas avaient au moins un trou noir qui variait de 50 à 130 masses solaires.
Essentiellement, cela indique qu'il s'agit de trous noirs de «deuxième génération», car les scientifiques pensent que cette masse ne peut pas être atteinte par un trou noir formé d'une seule étoile. Pour l'avenir, Rodriguez et son équipe prévoient que si LIGO détecte un objet avec une masse dans cette plage, cela est probablement le résultat de la fusion des trous noirs au sein d'un amas stellaire dense, plutôt que d'une seule étoile.
"Si nous attendons assez longtemps, alors finalement LIGO verra quelque chose qui ne pourrait provenir que de ces amas d'étoiles, car ce serait plus grand que tout ce que vous pourriez obtenir d'une seule étoile", dit Rodriguez. «Mes co-auteurs et moi avons parié contre quelques personnes qui étudient la formation d'étoiles binaires que dans les 100 premières détections LIGO, LIGO détectera quelque chose dans cet écart de masse supérieur. Je reçois une belle bouteille de vin si cela se produit. »
La détection des ondes gravitationnelles est une réalisation historique qui a permis aux astronomes de mener de nouvelles recherches passionnantes. Déjà, les scientifiques acquièrent de nouvelles connaissances sur les trous noirs en étudiant le sous-produit de leurs fusions. Dans les années à venir, nous pouvons nous attendre à en apprendre beaucoup plus grâce à l'amélioration des méthodes et à une coopération accrue entre les observatoires.
