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Il y a quelques jours, les distances entre les miroirs des interféromètres LIGO et Virgo ont varié pendant quelques secondes, indiquant que des ondes gravitationnelles avaient été détectées. Après analyse, les chercheurs ont tout d’abord été surpris de la masse des trous noirs mises en jeu, le produit de la fusion étant l’objet le plus massif jamais détecté dans ce genre d’événement. Mais les données ont révélé quelque chose d’encore plus surprenant : le trou noir issu de la fusion semble bien être un trou noir intermédiaire, un type de trou noir postulé mais jamais détecté jusqu’à maintenant.

Les astronomes ont peut-être détecté la collision la plus massive de deux trous noirs jamais observée, une fusion chaotique qui s’est produite il y a environ 7 milliards d’années, dont les signes viennent à peine de nous parvenir. L’événement cataclysmique a offert aux chercheurs la possibilité d’observer la naissance de l’un des objets les plus insaisissables de l’Univers.

Le spectacle lointain comprenait deux acteurs majeurs : un trou noir d’environ 66 fois la masse de notre Soleil et un autre trou noir d’environ 85 masses solaires. Les deux se sont rapprochés, tournant rapidement l’un autour de l’autre plusieurs fois par seconde avant de finalement fusionner dans une violente explosion d’énergie qui a envoyé des ondes de choc dans tout l’Univers. Le résultat de leur fusion ? Un seul trou noir d’environ 142 masses solaires.

Entre les trous noirs stellaires et supermassifs, les trous noirs intermédiaires

Jusqu’à présent, les astrophysiciens ont pu détecter et observer indirectement des trous noirs dans deux gammes de tailles différentes. La plus petite variété fait entre 5 et 100 fois la masse de notre Soleil. À l’autre extrémité du spectre, il y a les trous noirs supermassifs — situés au centre des galaxies et qui représentent des millions et des milliards de fois la masse de notre Soleil.

Depuis de longues années, les chercheurs tentent de localiser les trous noirs situés entre les deux, appelés « trous noirs de masse intermédiaire », qui font de 100 à 1000 fois la masse du Soleil. Les astronomes étaient certains de leur existence, mais n’avaient pas été en mesure de trouver une preuve directe. Quelques trous noirs intermédiaires potentiels ont été repérés, mais sont toujours considérés comme des candidats.

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Graphique montrant l’événement GW190521 comparé aux autres événements de fusion détectés par LIGO et Virgo. Crédits : LIGO/IPAC

Avec cette découverte, détaillée dans les revues Physical Review Letters et The Astrophysical Journal Letters, nous pourrions avoir notre première détection d’un trou noir de masse intermédiaire. Une théorie sur la façon dont les trous noirs supermassifs deviennent si grands, est que les petits trous noirs fusionnent encore et encore jusqu’à devenir énormes. Mais si tel était le cas, il devrait y avoir des trous noirs intermédiaires quelque part dans l’Univers.

Un événement de fusion rare et difficile à détecter par les interféromètres

À 5.3 milliards de parsecs, la détection annoncée est également la fusion la plus éloignée que LIGO et Virgo aient jamais observée, les ondes gravitationnelles mettant 7 milliards d’années à nous atteindre. Cet événement, appelé GW190521, a été détecté le 21 mai 2019 et il était si faible qu’il aurait facilement pu être manqué. LIGO et Virgo n’ont capté que quatre petites ondes de la fusion dans leurs détecteurs, des perturbations qui n’ont duré qu’un dixième de seconde.

Sur le même sujet : GW190412 ; une fusion de deux trous noirs aux masses inhabituellement très différentes

Les chercheurs ont utilisé quatre algorithmes différents pour détecter les ondes, ce qui leur a finalement permis d’identifier les masses de la fusion et la quantité d’énergie libérée. Pendant le processus de la collision, l’équivalent de sept fois la masse de notre soleil a été libérée sous forme d’énergie en quelques secondes.

En raison de la faible détection, les astronomes du LIGO et de Virgo envisagent la possibilité qu’ils n’aient peut-être pas réellement vu une fusion massive de trous noirs, mais qu’ils aient plutôt capté des vagues d’une étoile qui s’effondre ou d’un autre phénomène étrange. Cependant, la fusion des trous noirs est l’explication la plus simple et la plus logique pour ce qu’ils ont observé.

Les astronomes estiment que les fusions comme celle-ci sont plus rares que les plus petites fusions de trous noirs que LIGO et Virgo ont vues, ce qui expliquerait pourquoi il a fallu un certain temps aux observatoires pour détecter ce type de trou noir. « Pour chaque événement comme celui-ci, il y aura environ 500 fusions de petits trous noirs, donc c’est très rare », expliquent les chercheurs.

Sources : Physical Review Letters, The Astrophysical Journal Letters

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