Détection d’un véritable « tsunami » d’ondes gravitationnelles

Les astronomes ont annoncé une détection sans précédent d’ondes gravitationnelles. Les 35 signaux, qui constituent le troisième catalogue d’ondes gravitationnelles transitoires (GWTC-3), pourraient les aider à sonder plus en détail les profondeurs du cosmos.

35 signaux détectés en quelques mois

Les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans l’espace-temps lui-même, créées lors de cataclysmes cosmiques tels que la fusion de trous noirs et la collision d’étoiles à neutrons. Prédites dès le début du XXe siècle, celles-ci n’ont été directement détectées pour la première fois qu’en 2015, et des dizaines de signaux ont été enregistrés au cours des six années suivantes. Portant le nombre total de détections à 90, les nouvelles ondes gravitationnelles du catalogue GWTC-3 ont été repérées par les installations LIGO, Virgo et KAGRA entre novembre et mars 2020.

Si la grande majorité de ces détections proviennent de la fusion de paires de trous noirs, deux événements semblent avoir été produits par un trou noir avalant une étoile à neutrons. Une autre détection s’est également avérée particulièrement étrange : elle implique la collision d’un trou noir avec un « objet mystérieux » d’environ 2,8 masses solaires, se révélant trop massif pour être une étoile à neutrons mais trop léger pour être un trou noir selon les définitions actuelles.

L’explication la plus probable reste un trou noir de faible masse. La limite supérieure de la masse des étoiles à neutrons semble être assez bien définie en physique, à environ 2,1 masses solaires. Mais la limite inférieure pour les trous noirs, fixée à environ cinq masses solaires, est principalement basée sur des observations, de sorte que cette nouvelle détection (ainsi qu’un signal similaire en août 2019) suggère l’existence de monstres cosmiques plus petits que prévu.

À l’autre extrémité du spectre, la nouvelle série d’observations a également révélé des monstres absolus. Un signal appelé GW200220_061928 a impliqué une collision entre des trous noirs de 87 et 61 masses solaires, aboutissant à un objet final de 141 masses solaires (les sept masses solaires manquantes ayant été converties en énergie et emportées sous forme d’ondes gravitationnelles). Ce trou noir entre directement dans la catégorie intermédiaire, peu étudiée, des trous noirs stellaires et supermassifs.

D’importantes implications pour les astronomes

Les spins/rotations de certains des trous noirs ont pu être déduits à partir de leurs signaux d’ondes gravitationnelles. Dans deux cas, il semble qu’avant leur fusion, les trous noirs tournaient dans un sens opposé à leurs orbites respectives. D’après les auteurs de l’étude, pré-publiée sur le serveur arXiv, ces données, ainsi que celles qui suivront (le quatrième cycle d’observation devrait débuter fin 2022), pourraient aider les astronomes à élucider certains des plus grands mystères du cosmos.

« Il s’agit vraiment d’une nouvelle ère pour les détections d’ondes gravitationnelles et la population croissante de découvertes révèle d’importantes informations au sujet de la vie et la mort des étoiles à travers l’Univers. L’examen des masses et des rotations des trous noirs dans ces systèmes binaires indique comment ces systèmes se sont assemblés », explique le professeur Susan Scott.

« Cela soulève également des questions vraiment fascinantes », poursuit la chercheuse. « Par exemple, le système s’est-il formé à l’origine avec deux étoiles qui ont traversé ensemble leur cycle de vie et sont finalement devenues des trous noirs ? Ou bien les deux trous noirs ont-ils été poussés ensemble dans un environnement dynamique très dense, comme le centre d’une galaxie ? »

Par Yann Contegat, le 13 novembre 2021