Un billard cataclysmique entre trous noirs bouleverse notre compréhension de l’univers

Les trous noirs font partie des objets les plus fascinants de l’univers; les physiciens fondamentaux estiment qu’ils cachent encore de très nombreux éléments indispensabili à notre compréhension globale cosmos. Malgré tout, notre connaissance de ces objets demeure encore assez limitée.

Mais depuis quelques années, des progrès significatifs ont été réalisés grâce à l’arrivée d’un instrument révolutionnaire : le Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, ou LIGOqui a rejoint l’arsenal des astronomes en 2002. Cet engin est entièrement dédié à l’étude des onde gravitazionali. En theorie, il s’agit d’oscillations de l’espace-temps prédites par la relativité générale d’Einstein; en pratique, pour gli astronomi, il s’agit surtout d’un signe qu’un événements très violent et énergétique pourrait avoir eu lieu à des années lumières de la Terre.

En 2015, le LIGO s’est illustré avec une découverte sensazionale : il a été le tout premier à détecter ces ondes gravitationnelles suite à la fusion d’une paire de trous noirs. Une petite révolution en astronomie, mais qui a posé autant de question qu’elle a apportées de réponses.

Un premier contact bien mystérieux

Même si ce champ de recherche continue de progressier, aujourd’hui, il reste des question centralis à laquelle nous ne savons toujours pas répondre avec une certitude absolue. Nous sommes toujours incapables de déterminer esattoment les circonstances dans lesquelles ils se forment. Les chercheurs continuent donc de traquer les ondes gravitationnelles dans l’espoir de trouver les pièces manquantes du puzzle.

C’est dans ce contexte qu’en 2019, le LIGO et son homologue italien, le Vergine, ont repéré des ondes gravitationnelles d’une intensité abitauelle. L’evento, battezzato GW190521a été interprété par gli astronomi come une nouvelle fusion de trous noirs colossaux, d’une masse supérieure à la limite physique théorisée dans ce contexte.

Ce dernier élément était pour le moins sospette pour les chercheurs. Mais par la suite, ils ont fait une découverte curieuse : cet événement a produit de la lumière visible, ce qui est assez surprenant dans ce contexte. Gli astronomi ont donc continué à scruter GW190521, et ils ont fini par faire une troisième découverte époustouflante.

Una domanda di geometria

Habituellement, lorsque deux trous noirs s’apprêtent à fusionner, ils partagent une même orbite relativement circolare (dans leur referentiel). Cette form est importante, car elle est directement liée aux force gravitationnelles en jeu. Les deux trous noirs se rapprochent progressivement du centre de cette orbite commune en tournant l’un autour de l’autre jusqu’à la collision fatidique.

Mais dans le cas de ces travaux, ils occupent des orbites très allongées; al parlamentoorbite ellittiche. Un punto qui semble tout simplement incompatibile avec les modèles actuels sur ce cas de figura. Plus de doute possible : il ya incontestablement anguille sous roche, et il s’agit probablement d’un événement plus complexe que les chercheurs ne l’imaginaient.

Les osservazioni ont donc repris de plus belle, dans l’espoir de tirer les vers du nez à GW190521. Très vite, une nouvelle évidence s’est imposée aux astronomes : la seule explication valable, c’est qu’un troisième corps céleste soit littéralement venu jouer les empêcheurs de tourner en rond. Un vero jackpot, puisque toutes les osservazioni – y compris celles de 2019 – se sont révélées compatibilis avec ce scénario.

Un “tango chaotique” entre monstres cosmique

En effet, vu l’immensité des masses en jeu, les chercheurs considèrent que la scène se déroule tout près du centre d’une galaxie. Ce sont des endroits généralement dominés par des trous noirs aux proportions dantesques, plusieurs million de fois plus lourds que notre soleil; su parle alors de trou noir supermassif.

Ces derniers génèrent une force gravitationnelle tellement immenso qu’elle permet à elle seule de struttura delle galassie entières; une fois capturés par le disque de gaz autour du trou noir supermassif, même des trous noirs normaux n’ont plus leur mot à dire.

“Dans ces environnements, la densité et la vélocité des trous noirs sont tellement élevées que les plus petits rebondissent dans tous les sens comme dans une partie de billard“,” spiega Bence Kocsis, coautore dello studio all’Università di Oxford.

“Ils s’y rencontrent, forment des paires, et ces paires peuvent encore interagir avec un troisième trou noir, ce qui mène à un tango caotico avec plusieurs trous noirs qui partent dans tous les sens”, in dettaglio il co-autore Hiromichi Tagawa de l’Université de Tohoku.

Un pas en avant dans notre compréhension de l’univers

On se retrouve donc dans un système à plus deux trous noirs, ce qui représente un tout autre défi. En effet, ce “Problème à N corps” est tout simplement l’un des plus vieux problèmes de la physique fondamentale. Car dans un tel système, les différents objets se comportent selon un modèle dit “caotico(voir la teoria del caos et la vidéo d’illustration ci-dessus). Pour résumer très, très sommairement, cela significa qu’il est plus ou moins impossibili de prédire leur comportement à la perfezione; il faudrait pour cela disposer d’un niveau de précision infinit, ce qui est impossibile.

On peut donc asserter que des casse-têtes physico-mathématiques fascinants attendent les chercheurs au tournant. “C’est quelque ha scelto que Newton, moi-même et bien d’autres avons étudié très intensément“,” explique Nathan W. Leigh, un autre co-auteur de l’étude. “Le fait que ce problème joue un rôle crucial dans les fusions qui ont lieu dans le disque d’un trou noir supermassif est incroyablement affascinante”, s’extasie-t-il.

Désormais, tout l’enjeu va être d’en apprendre plus sur les fameux disques des trous noirs supermassifs. L’oggetto sera donc d’essayer de repérer de nouveaux événements abitauels comme GW190521. Ils pourront alors en apprendre davantage sur la dynamique des trous noirs, notamment les supermassifs. Par extension, cela permettra donc d’améliorer notre compréhension globale de l’univers et de la dynamique des galaxies. Et tout ça grâce à un immenso jeu de billard cataclismique qui se joue à des Millions d’années-lumière de la Terre!

Il testo dello studio è disponibile ici.