Des chercheurs du Manitoba font partie d'une équipe qui s'efforce de percer le mystère de la plus grande fusion de trous noirs jamais détectée
Un groupe de chercheurs du Manitoba a participé aux coulisses d’un effort international qui a révélé cette semaine comment deux trous noirs massifs se sont fusionnés en un seul, heureusement à des milliards d’années-lumière de la Terre.
L'astrophysicienne Samar Safi-Harb, titulaire de la Chaire de recherche du Canada en astrophysique extrême à l'Université du Manitoba, et son équipe collaborent au programme LIGO-Virgo-KAGRA, qui a publié lundi la preuve de ce que Safi-Harb décrit comme « le trou noir binaire le plus massif détecté à ce jour ».
Une autre surprise de la détection, initialement effectuée en novembre 2023, a été la vitesse vertigineuse à laquelle chaque trou noir tournait au moment où ils se sont écrasés ensemble - « proche de la vitesse maximale possible autorisée par la théorie », a déclaré Safi-Harb, qui est également professeur de physique et d'astronomie à l'Université du Manitoba, basée à Winnipeg.
« Non seulement ils sont massifs, mais ils tournent à une vitesse folle, 400 000 fois supérieure à celle de la Terre. »
Son équipe n'a pas été directement impliquée dans cette détection, mais elle fait partie de la communauté de milliers de chercheurs à travers le monde impliqués dans LIGO - le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, qui exploite des détecteurs dans l'État de Washington et en Louisiane.
L'équipe comprend Nathan Steinle, chercheur postdoctoral de l'Université du Manitoba, spécialisé en astrophysique des ondes gravitationnelles et en modélisation de la collision des trous noirs, tandis que Labani Mallick, chercheur postdoctoral, travaille sur les observations électromagnétiques des trous noirs.
L'étudiant au doctorat de Safi-Harb, Neil Doerksen, se concentre sur l'amélioration de la sensibilité des détecteurs utilisés dans la technologie de détection des ondes gravitationnelles, et l'étudiant au doctorat Lucas da Conceição travaille sur la détection des ondes gravitationnelles des étoiles à neutrons.
Étudier les extrêmes sauvagesCes cinq études portent sur des extrêmes extrêmes : températures extrêmes, gravité extrême, champs magnétiques extrêmes présentés par les systèmes astrophysiques.
Il se trouve que ces phénomènes sont associés à la mort des étoiles, ce qui fascine Safi-Harb car ils peuvent nous révéler l’origine de tout.
Les explosions stellaires entraînent la création de certains des éléments les plus lourds de l'univers : le calcium de vos os. Cette bague de fiançailles en or que votre grand-mère vous a léguée. Le platine du pot catalytique volé dans la berline de votre ami. Tout cela est né d'un magnifique fracas dans le vide spatial.
La façon la plus communément admise de former un trou noir est l'effondrement d'une étoile massive en fin de vie. Son corps stellaire se transforme en un mystérieux amas de matière incroyablement dense, dont la gravité est si intense que même la lumière ne peut s'en échapper.
Cela rend les trous noirs invisibles aux télescopes conventionnels basés sur la lumière, ce qui explique pourquoi les études traditionnelles se sont concentrées sur les effets indirects des trous noirs sur leur environnement.
Les télescopes à rayons X permettent aux scientifiques, par exemple, de déduire la présence d’un trou noir en étudiant les effets gravitationnels qu’ils exercent sur les étoiles proches, ou en trouvant des matériaux comme le gaz et la poussière qui se forment dans les disques autour des trous noirs.
Mais lorsqu’il s’agit de rechercher des collisions de trous noirs, des outils différents sont nécessaires.
LIGO est conçu pour rechercher les signatures d’ondes gravitationnelles dont l’existence a été prédite pour la première fois par Albert Einstein il y a plus d’un siècle.
La théorie de la relativité générale d'Einstein postulait que ces ondes se propageant dans l'espace-temps étaient produites par le mouvement d'objets en accélération. De très gros objets.
« Si vous jetez une pierre dans un lac, vous observez ces ondulations », explique Safi-Harb. « Lorsqu'il y a un trou noir, sa densité est telle qu'elle provoque ces ondulations dans l'espace-temps. »
Si deux trous noirs orbitent l'un autour de l'autre et se rapprochent de plus en plus, ils accélèrent, « et cela conduit à des ondes gravitationnelles très fortes », a-t-elle déclaré.
La prédiction d'Einstein est restée théorique jusqu'à il y a dix ans, lorsque les scientifiques ont pu observer pour la première fois des ondes gravitationnelles grâce à LIGO. Les scientifiques connaissent désormais 300 collisions de trous noirs, a déclaré Safi-Harb.
Le dernier, baptisé GW231123, est le plus massif à ce jour.
VIDÉO : Des scientifiques détectent des ondes gravitationnelles pour la première fois (2016) :
La paire de trous noirs d'origine avait des masses 100 et 140 fois supérieures à celles de notre Soleil, et le produit final de la fusion est de l'ordre de 225 masses solaires.
Cela semble énorme, et ça l’est, mais sur le spectre des trous noirs, cela pourrait se situer quelque part au milieu.
Il existe trois classes de trous noirs, dont ceux de notre espace cosmique, appelés trous noirs de masse stellaire. Leur masse peut être de l'ordre de 10 à 60 fois celle de notre Soleil.
Il y a aussi les trous noirs supermassifs. Ils se trouvent au centre des galaxies et peuvent être des millions, voire des milliards de fois plus massifs que notre Soleil. Certains portent même un nom : le cœur sombre de notre galaxie, la Voie lactée, est connu sous le nom de Sagittaire A.
Ces dernières années, des preuves ont émergé de l’existence d’une troisième classe – les trous noirs de masse intermédiaire – qui pourraient se situer entre des centaines et des milliers de masses solaires, comme GW231123 et les trous noirs parents qui l’ont créé.
Le fait que les parents et GW231123 se trouvent tous dans la zone intermédiaire est excitant, mais aussi un peu déroutant.
« On pense que ces masses sont « interdites », ou qu’on ne s’attend pas à ce qu’elles se produisent, car l’évolution stellaire standard ne prédit pas une telle formation de trous noirs », a déclaré Safi-Harb.
Il se peut que chacun de ces trous noirs parents soit né de la fusion de trous noirs encore plus petits, a déclaré Safi-Harb.
« Ce que cette découverte nous apprend, c'est que nous savons que certains trous noirs plus petits peuvent créer des trous noirs plus grands, et peut-être que des trous noirs plus grands entrent en collision pour créer des trous noirs encore plus grands, et si ceux-ci se trouvent dans des environnements denses, ils peuvent créer des choses comme notre galaxie », a-t-elle déclaré.
« Il s’agit donc de comprendre nos origines, d’où nous venons. »
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