Les trous noirs les plus massifs de l’Univers se seraient formés au sein d’amas stellaires hyperdenses à la suite de fusions violentes et successives, plutôt que par l’effondrement d’étoiles ultramassives, selon une récente étude. Les données d’ondes gravitationnelles analysées indiqueraient notamment deux populations bien distinctes, dont l’une engloberait les trous noirs les moins massifs issus de l’effondrement d’étoiles, et l’autre comprenant des trous noirs très massifs issus de la fusion de trous noirs plus petits.
Il est théorisé depuis plusieurs décennies qu’il existe un écart de masse important dans l’évolution et la fin de vie des étoiles. L’hypothèse avance notamment que les étoiles les plus massives ne s’effondrent pas en trous noirs à la fin de leur vie, mais subissent plutôt une explosion en supernova à instabilité de paires qui les désintègre complètement.
Cela soulève cependant la question de savoir comment les trous noirs supermassifs, comme Sagittarius A*, au centre de la Voie lactée, et d’autres grandes galaxies, ou les trous noirs ultramassifs se sont formés. Les astronomes suggèrent que ces trous noirs se forment par fusion de trous noirs plus petits. Cette hypothèse est renforcée par l’observation, par LIGO, Virgo et KAGRA, de nombreuses fusions de trous noirs donnant naissance à des objets plus massifs.
Cependant, malgré ces observations, l’hypothèse d’une naissance par fusion manque tout de même de preuves directes. Dans une étude publiée récemment dans la revue Nature Astronomy, une équipe de l’Université de Cardiff, au Royaume-Uni, affirme avoir mis au jour les preuves les plus convaincantes à ce jour de l’existence de cet écart de masse et de la naissance par fusion des trous noirs les plus massifs.
« Notre étude met en évidence l’existence d’un intervalle de masse lié au phénomène d’instabilité de paires, prédit depuis longtemps : une gamme de masses pour laquelle les étoiles ne sont pas censées laisser derrière elles de trous noirs. Des détecteurs d’ondes gravitationnelles ont détecté avec succès des trous noirs qui semblent se situer dans ou à proximité de cet intervalle, que nous avons identifié autour de 45 masses solaires », explique dans un communiqué Fabio Antonini, auteur principal de la recherche et membre de l’École de physique et d’astronomie de l’Université de Cardiff.
« La question est donc de savoir si ces trous noirs indiquent que nos modèles d’évolution stellaire sont erronés, ou s’ils sont formés d’une autre manière », ajoute-t-il.
Des indices issus des ondes gravitationnelles
Antonini et ses collègues ont analysé 153 détections de fusion de trous noirs regroupées dans la version 4.0 du catalogue transitoire d’ondes gravitationnelles LIGO–Virgo–KAGRA (GWTC4). Prédites pour la première fois en 1915 par Einstein, dans sa théorie de la relativité générale, les ondes gravitationnelles sont des déformations de l’espace-temps provoquées par des événements extrêmes, tels que la fusion ou la collision de trous noirs.
L’objectif de l’équipe était de déterminer si les trous noirs les plus massifs sont nés de fusions répétées au sein d’environnements stellaires densément peuplés — jusqu’à un million de fois plus denses que le voisinage du Soleil — notamment dans les amas globulaires, ou de l’effondrement d’étoiles.
« L’astronomie des ondes gravitationnelles ne se contente plus de compter les fusions de trous noirs », explique Antonini. « Elle commence à révéler comment les trous noirs se forment, où ils se forment et ce que cela nous apprend sur la vie et la mort des étoiles massives. C’est passionnant, car nous pouvons utiliser ces informations pour tester notre compréhension de l’évolution des étoiles et des amas dans l’Univers. »
Situé à environ 28 000 années-lumière, l’amas globulaire M80 abrite des centaines de milliers d’étoiles liées par la gravité. Dans des environnements aussi denses, la formation de trous noirs par fusions successives peut favoriser leur croissance. © NASA, ESA, STScI et A. Sarajedini (Université de Floride)
Deux populations aux origines différentes
En analysant les données d’ondes gravitationnelles, les chercheurs ont identifié deux populations distinctes de trous noirs. La première inclut de petits trous noirs dont la masse serait compatible avec un effondrement stellaire classique à la suite d’une supernova. La seconde, en revanche, regroupe des trous noirs de masse beaucoup plus élevée, dont la dynamique de rotation correspondrait davantage à une formation par fusions successives de trous noirs plus petits au sein d’amas globulaires.
« Ce qui nous a le plus surpris, c’est la netteté avec laquelle les trous noirs de masse élevée se distinguent comme une population distincte », explique la coautrice de l’étude, Isobel Romero-Shaw, boursière Ernest Rutherford à l’Université de Cardiff.
« Contrairement aux systèmes de faible masse que nous avons analysés, qui présentaient généralement une rotation lente, les systèmes de masse plus élevée sont compatibles avec des rotations plus rapides, orientées dans des directions apparemment aléatoires. C’est précisément la signature à laquelle on s’attendrait si des trous noirs fusionnaient de manière répétée au sein d’amas stellaires denses. »
Mis à part la formation des trous noirs les plus massifs, ces résultats pourraient aussi contribuer à éclairer les processus de fin de vie des étoiles très massives et la manière dont elles se comportent dans des environnements stellaires hyperdenses. Les données de l’étude suggèrent par exemple qu’au-delà d’environ 45 masses solaires, la distribution des vitesses de rotation des trous noirs qui en résultent changerait d’une manière difficilement explicable par les seuls systèmes binaires stellaires classiques.
« À l’avenir, les données sur les ondes gravitationnelles pourraient aider les scientifiques à étudier la physique nucléaire, car la limite de masse fixée par l’instabilité de paires dépend des réactions nucléaires qui se produisent au cœur des étoiles massives », conclut Fani Dosopoulou, également coauteur de l’étude et chercheur associé à l’Université de Cardiff.
