Les ondes gravitationnelles provenant d’une collision avec un méga trou noir révèlent une « sonnerie » tant recherchée

Les chercheurs découvrent les répliques massives de la fusion cachées dans les données de 2019 des détecteurs LIGO et Virgo.

La plus grande fusion de trous noirs jamais détectée semble produire un trou noir d’une masse 150 fois supérieure à celle du Soleil, au mépris de certaines théories acceptées. Les chercheurs affirment maintenant avoir trouvé, pour la première fois, des preuves des vibrations tant recherchées produites par le trou noir résultant lorsqu’il s’est installé dans une forme sphérique. Les résultats constituent un nouveau test rigoureux pour la relativité générale d’Albert Einstein – la théorie de la gravité qui fait des prédictions détaillées sur les trous noirs et les ondes gravitationnelles – explique Steven Giddings, physicien théoricien à l’Université de Californie à Santa Barbara. « Nous explorons vraiment une nouvelle frontière ici ».

Le physicien Badri Krishnan, l’un des auteurs de l’étude, affirme avoir travaillé sur ce type d’analyse comme possibilité théorique plus tôt dans sa carrière. « À l’époque, je n’aurais jamais pensé voir une telle mesure de mon vivant », déclare Krishnan, qui étudie aujourd’hui à l’Université Radboud aux Pays-Bas. Les résultats (1) ont été publiés cette semaine dans Physical Review Letters. Depuis l’aube de l’astronomie des ondes gravitationnelles en 2015, la détection de trous noirs en fusion est devenue un phénomène courant. Les détecteurs jumeaux du Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), dans l’État de Washington et en Louisiane, détectent désormais de telles fusions plus d’une fois par semaine en moyenne.

Les données du LIGO et du plus petit observatoire Virgo près de Pise, en Italie, montrent généralement la signature des ondes gravitationnelles de deux objets massifs en spirale l’un dans l’autre jusqu’à ce qu’ils fusionnent. La fréquence de ces orbites, et la façon dont cette fréquence augmente dans le temps jusqu’au moment de la fusion, révèle les masses des deux objets et du trou noir unique qui résulte de leur fusion. De manière générale, plus les objets sont massifs, plus leurs orbites sont longues au moment de la fusion et plus la fréquence de leurs ondes gravitationnelles est basse. Mais parmi les dizaines d’événements de ce type détectés jusqu’à présent, GW190521 – du nom de sa date de découverte du 21 mai 2019 – s’est démarqué. Sa fréquence de fusion était si basse que le système n’est entré dans la plage de sensibilité de LIGO et Virgo qu’au cours de ses deux dernières orbites.

Krishnan et ses collègues, qui ne sont pas affiliés à la collaboration LIGO-Virgo, voulaient voir si les ondes gravitationnelles de cet événement pouvaient transporter des informations non seulement sur la période précédant la fusion, mais également sur les instants qui la suivaient immédiatement. Au moment où deux trous noirs fusionnent, le trou noir résultant a une forme déséquilibrée. Mais les trous noirs ne sont stables que lorsqu’ils sont sphériques (ou sphéroïdaux s’ils tournent rapidement). En quelques millisecondes, ils se stabilisent dans une forme symétrique à moindre énergie. De la même manière qu’une cloche sonne avec des fréquences spécifiques déterminées par sa forme, le trou noir stabilisateur «sonne» et émet des ondes gravitationnelles avec des fréquences déterminées par sa masse et sa rotation, explique Krishnan. La mesure des fréquences de sonnerie fournit un moyen d’estimer les propriétés du trou noir qui est alternative aux propriétés des fréquences en spirale.

Lui et ses collègues ont maintenant réanalysé les données de l’événement GW190521 pour rechercher des preuves du ringdown. Ils ont trouvé deux fréquences de sonnerie distinctes, qui, ensemble, placent le trou noir résultant à environ 250 masses solaires – une plage de masse beaucoup plus lourde que l’analyse originale de l’équipe LIGO-Virgo.(2,3)

Les références

1. Capano, CD et coll. Phys. Le révérend Lett. 131, 221402 (2023). Google Scholar
2. Abbott, R. et coll. Phys. Rev. Lett. (2020). Google Scholar
3. Abbott, R. et coll. Astrophys. J. Lett. (2020). Google Scholar