Une étude suggère que GW231123, deux trous noirs en fusion de plus de 100 masses solaires chacun, pourraient n’être qu’une illusion d’optique en étant notamment amplifiés par un effet de lentille gravitationnelle. Ces trous noirs se situent en effet dans une échelle de masse dite « interdite », selon les modèles théoriques, et la nouvelle hypothèse suggère qu’ils pourraient en réalité être moins extrêmes qu’on le pense mais amplifiés par un effet de lentille provoqué par un objet situé devant eux.
Les trous noirs stellaires peuvent notamment se former lorsque des étoiles massives épuisent leur combustible et s’effondrent. Les étoiles les plus massives peuvent subir une supernova à instabilité de paires à la fin de leur vie et exploser sans laisser de résidu compact. Pour les étoiles encore plus grandes, l’effondrement de leur cœur pourrait générer directement un trou noir sans passer par la phase explosive.
Les modèles de formation stellaire prédisent un intervalle, généralement situé autour de 60 à 130 masses solaires, dans lequel les trous noirs devraient être rares en raison de l’instabilité de paires. En effet, pour pouvoir générer de tels trous noirs, les étoiles génitrices pourraient, selon certains modèles et en fonction notamment de leur métallicité et de leur évolution, avoir une masse initiale comprise dans une plage très élevée, pouvant se situer autour de 140 à 260 masses solaires.
Or, les modèles avancent que les étoiles suffisamment massives peuvent éviter la disruption par instabilité de paires et s’effondrer directement en trous noirs très massifs. La relation entre la masse initiale de l’étoile, celle de son cœur et la masse finale du trou noir dépend toutefois des modèles d’évolution stellaire. Il n’y aurait donc pas de scénario stellaire classique simple pour générer un trou noir situé entre 60 et 130 masses solaires.
GW231123, une fusion aux propriétés hors normes
Des astronomes ont pourtant détecté la fusion de deux trous noirs se situant dans la partie supérieure de cet intervalle théorique. L’onde gravitationnelle émanant de la fusion a été détectée le 23 novembre 2023 par les deux détecteurs de l’Observatoire d’ondes gravitationnelles par interférométrie laser (LIGO). L’analyse des données a indiqué deux trous noirs en rotation rapide dont la masse dépassait chacune 100 fois celle du Soleil.
Les propriétés de ces trous noirs posent des difficultés aux scénarios de formation classiques, notamment en raison de leurs masses et de leurs spins élevés. Une étude parue dans The Astrophysical Journal Letters propose une hypothèse selon laquelle leurs masses et leurs paramètres de spin apparents pourraient être attribués à un effet de lentille gravitationnelle.
Baptisé GW231123, le signal de fusion correspond à deux trous noirs ayant des masses d’environ 137 et 103 masses solaires, respectivement, et dont la fusion a produit un trou noir final de plus de 225 masses solaires. Et si les trous noirs sont censés tourner sur eux-mêmes, les deux trous noirs de GW231123 tournent respectivement à environ 90 % et 80 % de leur vitesse maximale théorique.
Parmi les hypothèses avancées pour expliquer comment ils se sont formés figurent de grands trous primordiaux formés peu après le Big Bang ou la fusion d’autres trous noirs plus petits pour atteindre des masses très élevées. Cependant, les modèles théoriques quant à cette dernière hypothèse avancent que le trou noir résultant d’une fusion subit souvent une impulsion qui le projette hors des amas stellaires denses, réduisant ainsi la probabilité qu’il croise d’autres trous noirs et fusionne à nouveau.
L’équipe de la nouvelle étude explore l’hypothèse de la lentille gravitationnelle, un phénomène au cours duquel un objet massif situé devant un autre courbe la trajectoire du rayonnement provenant de l’arrière-plan et peut en amplifier le signal apparent. Une lentille gravitationnelle peut également dévier et amplifier les ondes gravitationnelles.
Afin de déterminer quel objet pourrait être à l’origine de la lentille gravitationnelle, les chercheurs ont développé un modèle intégrant à la fois un potentiel gravitationnel à grande échelle, comme celui d’une galaxie, et un objet compact, comme un trou noir de taille moyenne.
Une galaxie suffisamment massive pourrait produire une lentille gravitationnelle, tandis que l’effet de lentille concerne ici les ondes gravitationnelles émises par la fusion. Les objets plus petits pourraient, quant à eux, diffracter les ondes gravitationnelles et générer un signal plus complexe.
Une lentille compacte pourrait masquer la véritable masse du système
L’équipe a calculé différentes combinaisons de masses des trous noirs et de types de lentilles gravitationnelles qui pourraient produire les signaux de GW231123. Les résultats ont révélé qu’une amplification par une lentille gravitationnelle permettrait à des trous noirs beaucoup moins massifs de produire des signaux comparables à GW231123.
« En comparant les résultats, nous pouvons statistiquement déterminer quelle hypothèse est la plus plausible », explique Srashti Goyal de l’Institut Max Planck de physique gravitationnelle, l’auteur principal de l’étude, à la revue Science. « Il s’avère que l’effet de lentille gravitationnelle est plus pertinent. »
Dans le modèle avec lentille, la masse totale intrinsèque du système serait comprise entre environ 100 et 180 masses solaires. Les deux trous noirs seraient également beaucoup plus distants l’un de l’autre, mais leur signal pourrait être affecté par une lentille compacte dont la masse est estimée à environ 190–850 masses solaires, dans le modèle étudié.
Bien que les résultats restent à confirmer, les auteurs trouvent que l’hypothèse de lentille est favorisée par les données, mais soulignent qu’elle reste à confirmer. « C’est probablement la meilleure explication des données dont nous disposons », a déclaré Iuliu Cuceu, de l’Observatoire de la Côte d’Azur, qui n’a pas participé à la recherche. Mais, « cet événement est tellement exceptionnel que nous ignorons ce qui est normal. »
