Here Be Monsters : une étude identifie l'emplacement probable de la fusion des géants du trou noir
Simulation d'un artiste de deux trous noirs fusionnant dans l'espace. La gravité d'un trou noir est suffisamment forte pour déformer l'espace, créant un effet de tourbillon autour des deux objets. (Image credit: LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet))
Les scientifiques à la recherche de trous noirs en collision devraient se tourner vers les régions externes calmes des galaxies comme la Voie lactée, suggère une nouvelle étude.
Fin 2015, des chercheurs ont première détection directe des ondes gravitationnelles — ondulations dans le tissu universel connu sous le nom d'espace-temps. Les astronomes ont maintenant détecté quatre signaux d'ondes gravitationnelles distincts provenant de paires de trous noirs entrant en collision et fusionnant ensemble. La fusion de trous noirs de cette taille - environ 20 à 50 fois la masse du soleil - n'avait jamais été directement observée dans la nature auparavant.
Malheureusement, les détecteurs d'ondes gravitationnelles ont du mal à déterminer où se trouvent ces trous noirs en fusion. Cela rend difficile pour les scientifiques de faire des études de suivi ou de rechercher d'éventuelles sources de lumière autour des trous noirs. [ No Escape: Plongez dans un trou noir (infographie) ]
Des travaux antérieurs avaient suggéré que des paires de trous noirs dans cette gamme de masse sont plus susceptibles de se former dans des galaxies naines sombres. Mais la nouvelle étude montre que les régions extérieures calmes des galaxies plus grandes et en forme de spirale – comme notre propre Voie lactée – peuvent être de meilleurs endroits à regarder.
« Si notre calcul est correct, l'avantage est que si vous essayez de localiser le signal, il est beaucoup plus facile de trouver de grandes galaxies, n'est-ce pas ? C'est assez évident », a déclaré l'auteur principal de l'étude, Sukanya Chakrabarti, professeur de physique et d'astronomie au Rochester Institute of Technology (RIT).
Déterminer l'emplacement précis ou la galaxie d'origine de ces paires de trous noirs présente de multiples avantages pour l'astrophysique. Premièrement, cela augmenterait les chances de voir des signaux lumineux créés par la fusion de deux trous noirs. Alors que les trous noirs eux-mêmes sont complètement sombres, la matière à proximité (telle qu'un disque de gaz et de poussière tourbillonnant autour d'elle) pourrait émettre de la lumière. L'étude de cette lumière pourrait fournir aux scientifiques plus d'informations sur ces événements.
De plus, les scientifiques souhaitent utiliser les ondes gravitationnelles pour mesurer le taux d'expansion de l'univers, une valeur connue sous le nom de constante de Hubble, du nom de l'astronome Edwin Hubble. À l'heure actuelle, il existe deux façons de mesurer cette valeur, mais elles ont produit des valeurs légèrement différentes et les scientifiques ne savent pas pourquoi. Les mesures des ondes gravitationnelles pourraient résoudre l'écart.
'C'est le Saint Graal de la cosmologie des ondes gravitationnelles', a déclaré Chakrabarti à guesswhozoo.com.
Terre d'accouchement du trou noir
Des trous noirs peuvent se former lorsque des étoiles massives manquent de carburant et explosent en supernova. Une grande partie de la matière qui composait l'étoile vivante s'effondre en un seul point et un trou noir se forme. Des trous noirs avec 10 à 50 fois la masse du soleil doivent se former à partir d'étoiles dont la masse est comprise entre environ 40 et 100 masses solaires, selon les scientifiques du projet Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory (LIGO), qui a repéré des ondulations spatio-temporelles du quatre fusions de trous noirs (ainsi que celles générées par un autre type d'événement - la collision de deux étoiles à neutrons).
Alors, où sont nées ces étoiles massives ?
Pour fabriquer une étoile vraiment massive, il faut un mélange de départ très simple composé presque exclusivement d'hydrogène et d'hélium. Les éléments 'plus lourds' (ceux dont le nombre est supérieur à 2 dans le tableau périodique) peuvent freiner la formation d'étoiles très massives. Cela se produit parce que ces éléments émettent un rayonnement plus intense que l'hydrogène ; ce rayonnement exerce une force vers l'extérieur qui repousse le gaz et d'autres matériaux, de sorte que l'étoile n'accumule pas plus de matière et ne grossit pas.
Les régions lumineuses des grandes galaxies - comme les magnifiques bras tourbillonnants de la Voie lactée - sont en bas de la liste des possibilités, car elles sont si riches en éléments lourds.
Mais presque toutes les galaxies spirales possèdent un disque externe composé principalement d'hydrogène, a déclaré Chakrabarti. Ces régions appelées « régions H1 » ont des taux de formation d'étoiles globaux très faibles et sont donc assez faibles par rapport aux disques centraux brillants. Dans le cas d la voie Lactée , la région H1 est à peu près aussi épaisse que le disque principal est large - environ 30 kiloparsecs, soit environ 100 000 années-lumière de diamètre. Dans certaines galaxies examinées dans l'article, le disque H1 mesure 80 kiloparsecs de diamètre, a déclaré Chakrabarti à guesswhozoo.com – beaucoup de place pour la naissance d'étoiles massives.
Cette carte de l'hémisphère sud de la collaboration LIGO montre la région du ciel à partir de laquelle l'observatoire a détecté un signal d'onde gravitationnelle. La zone est trop grande pour que les scientifiques puissent déterminer de quelle galaxie provient le signal.(Crédit image : LIGO Science Collaboration)
Deux types de galaxies
Le nouvel article calcule la vitesse à laquelle ces collisions de trous noirs lourdes sont susceptibles de se produire dans ces régions H1. Ils constatent que le nombre de collisions dans une zone donnée, sur un temps donné, est comparable, voire meilleur, que pour les galaxies naines.
Galaxies naines sont de petites collections d'étoiles qui ressemblent plus à des nuages scintillants qu'à des disques de lumière brillants. Un article précédent a montré que les galaxies naines sont plus susceptibles d'héberger ces paires de trous noirs que les grandes galaxies spirales comme la Voie lactée. Mais cet article ne tenait pas compte des régions distinctes de ces galaxies, comme la région H1, a déclaré Chakrabarti à guesswhozoo.com.
L'étude précédente a été co-écrite par Richard O'Shaughnessy, professeur adjoint de mathématiques au RIT et membre de la collaboration LIGO – et l'un des co-auteurs de Chakrabarti sur le nouvel article. Chakrabarti a déclaré qu'elle avait parlé avec O'Shaughnessy après la publication de l'article précédent, lui disant qu'il devrait considérer les régions des galaxies, et pas seulement les galaxies dans leur ensemble.
'C'est un nouveau domaine', a déclaré Chakrabarti, faisant référence à la détection directe de ces fusions de trous noirs. «Notre article est vraiment le troisième à s'être penché sur cette question de savoir quelles sont les galaxies hôtes des trous noirs binaires. C'est en quelque sorte une nouvelle question, et elle nécessite la confluence de deux domaines qui ont été quelque peu distincts.
Les auteurs déclarent dans l'article que leurs estimations numériques des collisions de trous noirs dans ces différents environnements ne sont pas très précises, car il y a encore très peu de données avec lesquelles travailler - seulement quatre détections de signaux d'ondes gravitationnelles provenant de trous noirs jusqu'à présent. Mais, Chakrabarti a déclaré que la conclusion générale est que, en ce qui concerne les trous noirs dans cette gamme de masse, les régions H1 de ces galaxies sont tout aussi fertiles que les galaxies naines, voire plus.
'Personne n'a suggéré qu'en fait, des trous noirs binaires pourraient se former plus abondamment à la périphérie de grandes galaxies comme la nôtre', a déclaré Chakrabarti. 'Même en considérant toutes les incertitudes [dans le taux calculé], je pense qu'il est clair que la périphérie des spirales produira autant de fusions massives de trous noirs binaires que tout autre environnement galactique.'
Le document est maintenant disponible sur le site open source arxiv.org , et a été accepté pour publication dans l'Astrophysical Journal.
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