L’origine ancestrale des trous noirs peut être révélée par des ondes gravitationnelles selon une nouvelle recherche
Les caractéristiques générales d’une personne peuvent en dire beaucoup sur son ascendance. Un enfant peut avoir les yeux de son père, le sourire de sa mère, ou même la calvitie héréditaire de son grand-père (merci, grand-père). Cependant, les trous noirs ont peu de caractéristiques distinctives – comme le dit le physicien théoricien John Wheeler, les trous noirs n’ont pas de cheveux (tout comme votre humble auteur). Bien sûr, tester la filiation d’un enfant sur la base de caractéristiques physiques est trop subjectif – c’est généralement là que les tests ADN interviennent. Ces tests offrent une méthode beaucoup plus scientifique pour vérifier la lignée d’une personne, et de nouvelles recherches suggèrent un test d’ascendance similaire pour les trous noirs. Au lieu de se baser sur un frottis de la joue ou un peu de sang, ces tests cosmiques d’ADN utilisent de minuscules ondulations dans la trame de l’espace-temps appelées ondes gravitationnelles, proposées pour la première fois il y a 110 ans par Albert Einstein. Une équipe de scientifiques dirigée par des chercheurs de l’Université de Cardiff a découvert que l’ascendance des trous noirs supermassifs qui se forment à partir d’une chaîne de fusion de trous noirs progéniteurs de plus en plus grands pourrait être cachée dans leurs rotations ou leurs spins. De plus, la méthode de l’équipe suggère que les modèles de rotation de ces trous noirs pourraient révéler la région de l’espace dans laquelle ils sont nés. Même les tests ADN humains ne peuvent pas vous dire dans quel hôpital un bébé a été livré ! Les ondes gravitationnelles, telles que détectées par des installations comme l’Observatoire d’ondes gravitationnelles par interférométrie laser (LIGO) et l’Observatoire Virgo, pourraient être utilisées pour lire ces informations comme l’écriture sur un certificat de naissance. Notre étude nous donne un moyen puissant et basé sur les données pour identifier les origines de l’histoire de formation d’un trou noir, montrant que la façon dont il tourne est un indicateur fort qu’il appartient à un groupe de trous noirs de masse élevée, qui se forment dans des amas d’étoiles densément peuplés où de petits trous noirs entrent en collision et fusionnent à plusieurs reprises les uns avec les autres, a déclaré Isobel Romero-Shaw, membre de l’équipe et chercheuse à l’Université de Cambridge. L’ascendance des trous noirs est devenue une question curieuse pour les scientifiques lorsqu’ils ont découvert que certains trous noirs sont tout simplement trop massifs pour avoir été engendrés de manière habituelle : par une étoile mourante. Les trous noirs de masse stellaire, dont la masse est comprise entre 10 et 100 fois celle du soleil, naissent lorsque des étoiles beaucoup plus massives que le soleil épuisent le combustible nécessaire à la fusion nucléaire dans leur noyau. Par la suite, ces étoiles s’effondrent sous l’influence de leur propre gravité. Cependant, les trous noirs supermassifs ont une masse équivalente à des millions, voire des milliards de soleils. Aucune étoile unique ne peut s’effondrer pour former un tel trou noir massif, ce qui a conduit à la théorie selon laquelle ils se forment à partir de fusions de trous noirs plus petits. La première détection d’ondes gravitationnelles provenant de la fusion de trous noirs a été réalisée par LIGO et Virgo en 2015, 100 ans après qu’Einstein les a prédites dans sa théorie de la gravité, connue sous le nom de relativité générale. Cela, ainsi que la multitude de fusions entendues par ces installations depuis lors, ont permis de confirmer cette théorie de croissance par fusion. La relativité générale prévoit que les objets dotés de masse font se déformer l’espace-temps, ou le continuum espace-temps. La gravité découle de cette déformation. Einstein a également prédit que lorsque les objets accélèrent dans l’espace-temps, cela provoque des ondulations qui se propagent à la vitesse de la lumière. Cependant, ces soi-disant ondes gravitationnelles ne sont détectables que lorsque les objets impliqués sont vraiment massifs – et les trous noirs correspondent à cette description. La fusion des trous noirs est intrinsèquement liée à l’émission d’ondes gravitationnelles. Une fois que les trous noirs sont suffisamment proches l’un de l’autre pour former un système binaire en tournant autour l’un de l’autre, cette accélération constante (l’accélération est un changement de vitesse et de direction, donc le mouvement circulaire représente une accélération perpétuelle) fait vibrer l’espace-temps avec des ondes gravitationnelles. Au fur et à mesure que ces systèmes binaires émettent des ondes gravitationnelles, ces ondulations de l’espace-temps emportent le moment angulaire. Cela provoque le resserrement du système binaire. Autrement dit, les trous noirs se rapprochent l’un de l’autre. Cela fait que les trous noirs binaires émettent des ondes gravitationnelles de plus en plus rapidement ou à des fréquences croissantes, ce qui signifie qu’ils se rapprochent de plus en plus. Cela continue jusqu’à ce que la gravité mutuelle de ces trous noirs prenne le dessus et les force à se rapprocher, à se heurter et à fusionner. Cette fusion crée un trou noir fille qui est plus massif que ses parents mais pas tout à fait la somme de leurs masses en raison d’une perte de masse dans un cri de haute fréquence d’ondes gravitationnelles. À mesure que nous observons davantage de fusions de trous noirs avec les détecteurs d’ondes gravitationnelles tels que LIGO et Virgo, il devient de plus en plus clair que les trous noirs présentent des masses et des spins divers, suggérant qu’ils ont pu se former de différentes manières, a déclaré Fabio Antonini, responsable de l’équipe de l’Université de Cardiff. Cependant, identifier le scénario de formation le plus courant parmi ceux-ci a été difficile. Pour élucider ce mystère, l’équipe a examiné les données concernant 69 événements d’ondes gravitationnelles détectés par LIGO et Virgo. Ce qu’ils ont découvert, c’est que la rotation d’un trou noir change lorsque ce trou noir atteint une certaine masse. Cela représente un seuil de masse clair à partir duquel la rotation des trous noirs change constamment. Le modèle découvert par l’équipe correspond aux modèles suggérant que les trous noirs se développent grâce à des collisions répétées dans des amas d’étoiles densément peuplés. Grâce à ces découvertes, les scientifiques peuvent maintenant affiner les techniques de modélisation informatique utilisées pour simuler la formation et la croissance des trous noirs. Lorsque des signaux futurs d’ondes gravitationnelles seront détectés par des installations comme LIGO, Virgo, le prochain observatoire souterrain d’ondes gravitationnelles connu sous le nom de télescope Einstein et le futur détecteur d’ondes gravitationnelles dans l’espace LISA (Laser Interferometer Space Antenna), ces modèles affinés pourront être utilisés pour mieux interpréter ces signaux. Collaborer avec d’autres chercheurs et utiliser des méthodes statistiques avancées aidera à confirmer et à élargir nos découvertes, en particulier à mesure que nous nous rapprochons des détecteurs de prochaine génération, a déclaré Thomas Callister, membre de l’équipe et chercheur à l’Université de Chicago. Par exemple, le télescope Einstein pourrait détecter des trous noirs encore plus massifs et fournir des informations inédites sur leurs origines. La recherche de l’équipe a été publiée le mardi 7 janvier dans la revue Physical Review Letters.
