Animation de l’Institut Max Planck de physique gravitationnelle
Les trous noirs, selon la définition de base, sont des régions de l’espace-temps tellement déformées par une masse concentrée que, au-delà de leur « horizon des événements », rien – pas même la lumière – ne peut échapper à leur gravité. Nous pouvons les détecter de différentes manières, notamment en repérant le rayonnement à haute énergie émis par la matière lorsqu’elle tourbillonne dans les trous ou en recherchant comment leur gravité influence le mouvement des objets à proximité. Les physiciens peuvent également détecter les ondes gravitationnelles émises lorsque les trous noirs fusionnent les uns avec les autres, déformant le tissu même de l’espace-temps, en utilisant des soi-disant interféromètres comme Virgo en Italie et LIGO aux États-Unis.
Certains des trous noirs que les physiciens ont vus dans l’univers semblent « accélérer », voyageant beaucoup plus vite que prévu sur la base des prédictions théoriques.
Les scientifiques avaient proposé que ces trous noirs en mouvement rapide aient pu gagner leur énergie à la suite d’événements de fusion antérieurs.
Selon la théorie, les trous noirs fusionnés peuvent recevoir un coup de pied si les ondes gravitationnelles libérées lors de la collision sont émises principalement dans une direction – ce qui peut se produire si les deux trous noirs d’origine ont des masses ou des spins très inégaux.
Pour conserver l’élan, le trou noir combiné recule dans l’autre sens. Jusqu’à présent, cependant, les physiciens n’avaient aucune preuve à l’appui de cette théorie.
Les fusions entre les trous noirs peuvent donner un coup de pied aux objets massifs et les éjecter de leur galaxie (Image : Getty Images)
Les trous noirs sont des régions de l’espace-temps déformées par une masse concentrée (Image : Express.co.uk)
Des coups de pied particulièrement importants devraient se produire lorsque le plan orbital de la fusion subit une précession – un changement d’orientation d’un axe de rotation – qui devrait laisser une modulation d’amplitude détectable dans le signal d’onde gravitationnelle.
Dans leur étude, le physicien Dr Vijay Varma de l’Institut Max Planck de physique gravitationnelle de Potsdam, en Allemagne, et ses collègues ont analysé un événement de fusion de trous noirs qui a reçu le nom passionnant de « GW200129 ».
C’est la première preuve d’une fusion de trous noirs qui a été enregistrée avec une signature forte et sans ambiguïté de précession dans son signal d’onde gravitationnelle.
Les chercheurs ont comparé les signaux de GW200129 enregistrés par les détecteurs LIGO-Virgo avec des prédictions basées sur des simulations de relativité numérique.
Les physiciens peuvent détecter les ondes gravitationnelles émises lorsque les trous noirs fusionnent les uns avec les autres (Image : Getty Images)
Sur la photo: l’interféromètre Virgo en Italie peut détecter les ondes gravitationnelles (Image : Creative Commons / La collaboration Virgo)
Ils ont découvert que le trou noir produit par l’événement de fusion, qui a une masse 60 fois supérieure à celle du Soleil, a reçu un coup de pied d’environ 3 355 404 mph.
C’est bien au-delà de la vitesse d’échappement de la plupart des galaxies – et près de trois fois celle de la nôtre, la Voie lactée.
Compte tenu de cela, l’équipe a déclaré que la collision aurait probablement envoyé le dernier trou noir hors de sa galaxie hôte.
Le Dr Varma a déclaré: « Compte tenu de la vitesse du coup de pied, nous estimons qu’il y a au plus 0,48% de probabilité que le trou noir résiduel de GW200129 soit retenu par des amas d’étoiles nucléaires globulaires. »
Les trous noirs fusionnés peuvent recevoir un coup de pied suffisamment fort pour les éjecter de leur galaxie hôte (Image : Nouvelles du MIT)
Les résultats peuvent avoir des implications sur l’existence de soi-disant «trous noirs lourds», qui se forment à la suite de multiples fusions successives de trous noirs.
Cependant, pour que des trous noirs lourds se forment, les fusions qui se terminent par des coups de pied ne peuvent pas être trop courantes.
S’ils se produisent trop fréquemment, en envoyant des trous noirs fusionnés dans le vaste vide intergalactique, ils rendraient les collisions ultérieures trop improbables.
Les études futures, selon l’équipe, devraient aider les physiciens à mieux limiter le taux de fusions dites de deuxième génération qui peuvent aider à créer des trous noirs plus grands.
Le professeur d’astrophysicien théorique Saul Teukolsky de l’Université Cornell est le chef de la collaboration Simulating eXtreme Spacetimes (SXS), sous les auspices de laquelle la présente étude a été entreprise.
Le professeur Teukolsky a déclaré : « Cette recherche montre comment les signaux d’ondes gravitationnelles peuvent être utilisés pour en savoir plus sur les phénomènes astrophysiques de manière inattendue.
« On pensait que nous devions attendre plus d’une décennie pour des détecteurs suffisamment sensibles pour faire ce genre de travail, mais cette recherche montre que nous pouvons en fait le faire maintenant – très excitant! »
Les résultats complets de l’étude ont été publiés dans la revue Physical Review Letters.
