Une fusion de trous noirs “interdits” abasourdit les astrophysiciens

Le 21 mai 2019, les vibrations de l'espace nées de la fusion des deux plus gros trous noirs stellaires connus ont traversé le Système solaire. D'où viennent ces trous noirs si massifs ? Une étude récente montre que le mystère est plus profond que nous ne le croyions.

(image : GW190521 : fusion des deux plus gros trous noirs stellaires jamais observés.)

Quand deux trous noirs se rencontrent, ils se tournent autour en un genre de tango gravitationnel, puis leurs horizons des événements respectifs finissent par se toucher : c'est ce que les astrophysiciens nomment la coalescence et la fusion. Un plus gros trou noir est né, mais dans ce cas-là, 2 masses solaires + 3 masses solaires = 4 masses solaires !

En effet, le trou noir fusionné possède alors une masse inférieure aux deux autres cumulées, la masse “perdue” étant convertie justement en ondes gravitationnelles que nous savons percevoir depuis bientôt 10 ans.

Le 21 mai 2019, les détecteurs LIGO (Washington) et VIRGO (Italie) détectèrent donc un signal très, très puissant, la plus grosse fusion de trous noirs stellaires jamais captée. Un trou noir de 66 masses solaires s'accouplait avec un autre de 85 masses solaires, créant un monstre de 142 masses solaires ! Tous les records étaient battus, mais les scientifiques furent sidérés, car ils considéraient cet épisode cosmique impossible. 

Un tel trou noir stellaire ne devrait pas exister !

Rappelons que les trous noirs dont nous savons détecter la fusion par ondes gravitationnelles n'ont rien à voir avec ceux de millions ou milliards de masses solaires qui logent au centre des galaxies. Ceux-là sont des trous noirs dits supermassifs et nous ne savons toujours pas comment ils se forment.

Les trous noirs dont il est ici question sont les plus communs et nous les connaissons très bien. Ils sont dits stellaires, c'est-à-dire que pour les former, il faut l'effondrement d'une étoile d'une masse d'au moins huit fois celle de notre Soleil. À l'article de sa mort, le cœur de l'étoile se charge d'éléments ultra lourds comme le fer et cette dernière explose en supernova, sauf le cœur justement qui, lui, s'effondre sous sa propre masse et devient un trou noir.

Mais un problème théorique s'est posé ce 21 mai 2019. Effectivement, les très, très grosses étoiles de plus de 65 masses solaires n'explosent pas comme les autres et ne devraient pas laisser de trou noir ! Sans trop entrer dans les détails, elles produisent de l'antimatière et se désintègrent dans ce qu'on appelle une supernova par instabilité de paires. Bref, pas de trou noir.

Ces trous noirs ne peuvent être nés que près d'un centre galactique...

Si on veut avoir l'esprit un peu ouvert et considérer que le premier trou noir de 66 masses solaires était à la limite de la théorie, alors pour lui ça va. Mais le second, celui de 85 masses solaires, était en plein dans la plage théoriquement interdite. Il faudrait donc le considérer déjà lui-même comme le produit de fusion d'autres trous noirs.

C'est ce qu'ont fait les chercheurs de l'étude en question, qui ont voulu déterminer les caractéristiques de ces ancêtres. Or ils se sont rendu compte que des trous noirs aussi massifs auraient donné une vitesse de recul très importante (un “kick”), et le seul moyen d'expliquer pourquoi ils ne se sont pas éjectés l'un l'autre est de les placer près d'un centre galactique, là où l'intense densité de matière les maintiendraient.

Ces trous noirs trop massifs se seraient donc formés près d'un noyau galactique. Alors, mystère résolu ? Pas vraiment… Jusqu'à maintenant, les astrophysiciens pensaient que le seul endroit où des trous noirs d'environ 100 à 10 000 masses solaires pouvaient se former était au sein des amas globulaires comme celui-ci :

Ces trous noirs de masse intermédiaire sont décidément bien, bien mystérieux. Et comme souvent, si ce n'est toujours, d'une observation naissent de multiples — et passionnantes — nouvelles interrogations

(Source : Kicking Time Back in Black Hole Mergers: Ancestral Masses, Spins, Birth Recoils, and Hierarchical-formation Viability of GW190521)