Les trous noirs gagnent en masse à mesure que l’Univers s’étend, selon ce nouveau modèle

De nouvelles recherches suggèrent que la croissance des trous noirs pourrait être « cosmologiquement couplée » à l’expansion de l’Univers, ce qui expliquerait pourquoi tant des monstres cosmiques observés se révèlent plus massifs que prévu.

Une théorie alternative

En 2015, l’installation LIGO a détecté pour la première fois des ondes gravitationnelles, ou ondulations, dans le tissu même de l’espace-temps. Celles-ci sont produites lors d’événements cataclysmiques, le plus souvent des collisions de trous noirs, et les astronomes peuvent travailler à rebours à partir des ondes pour calculer les masses des deux objets impliqués dans la fusion.

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Le type de trou noir le plus courant, et celui que l’équipe s’attendait à voir impliqué dans la plupart des fusions, sont les trous noirs stellaires. Ils se forment lors de l’effondrement d’étoiles massives (entre 5 et 30 masses solaires). Mais l’équipe de LIGO a détecté plusieurs trous noirs de masses bien plus élevées. La collision la plus massive jamais enregistrée ayant notamment impliqué deux trous noirs de 65 et 85 masses solaires.

L’explication la plus courante pour expliquer une telle masse est que ces objets grandissent en avalant de la matière, notamment de la poussière, du gaz, des étoiles ou d’autres trous noirs. Mais les auteurs de la nouvelle étude, parue dans la revue Astrophysical Journal Letters, ont proposé une autre hypothèse assez farfelue : la masse des trous noirs pourrait croître avec l’expansion de l’Univers, dans un effet que l’équipe appelle le « couplage cosmologique ».

Cela peut sembler étrange, mais l’idée n’est pas totalement nouvelle. Cette possibilité est impliquée dans la théorie de la relativité d’Einstein, et la lumière est déjà en quelque sorte couplée cosmologiquement, dans la mesure où elle perd de l’énergie à mesure que l’Univers s’étend, alimentant ainsi cette même expansion.

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Des univers simulés en expansion

« Nous avons pensé à envisager l’effet inverse, en nous demandant ce qu’observerait LIGO-Virgo si les trous noirs étaient cosmologiquement couplés et gagnaient de l’énergie sans avoir besoin de consommer d’autres étoiles ou du gaz », explique Duncan Farrah, co-auteur de l’étude.

Habituellement, des univers simulés ne s’étendant pas sont utilisés pour la modélisation des trous noirs afin de simplifier les choses. Cela étant susceptible de masquer les effets du couplage cosmologique, les chercheurs ont réalisé des simulations tenant spécifiquement compte de cette expansion.

Afin d’étudier la formation de ces monstres cosmiques, les chercheurs ont simulé la vie de millions de paires d’étoiles (de leur naissance à leur mort) et ont surtout lié les masses des trous noirs à la taille de l’univers simulé. Ce qui implique que les paires de trous noirs sont devenus plus massifs au fil du temps, alors qu’ils se rapprochaient et finissaient par entrer en collision.

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Comme on pouvait s’y attendre, les trous noirs issus des fusions étaient plus massifs, mais cela semblait également conduire à d’autres fusions. Et les prédictions semblaient correspondre aux données issues de la collaboration LIGO-Virgo.

Une question encore loin d’être tranchée

Si le nouveau modèle ne nécessite aucune modification de nos connaissances actuelles sur la formation, la vie et la mort des étoiles, la question est loin d’être tranchée (l’idée actuelle selon laquelle les trous noirs dévorent de la matière et s’engloutissent mutuellement pourrait constituer une explication plus simple).

« De nombreux aspects des trous noirs en fusion ne sont pas connus en détail, comme les environnements de formation dominants et les processus physiques complexes qui persistent tout au long de leur vie », explique Michael Zevin, co-auteur de l’étude.

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« Bien que nous ayons utilisé une population stellaire simulée reflétant les données dont nous disposons actuellement, il y a beaucoup de marge de manœuvre. Le couplage cosmologique est une idée utile, mais nous ne pouvons pas encore mesurer sa force. »

L’idée pourrait être testée à mesure que la sensibilité des instruments actuels d’ondes gravitationnelles s’améliorera, et que de nouveaux observatoires d’ondes gravitationnelles, comme le LISA basé dans l’espace, se joindront à la recherche.