Une nouvelle façon de découvrir les « ancêtres » des phénomènes cosmiques

Une équipe de recherche a proposé une nouvelle méthode pour reconstruire « l’arbre généalogique » des trous noirs. Publié dans Le journal d’astrophysiquecette recherche offre un moyen de déduire les propriétés des trous noirs progéniteurs de ces fusions, l’un des événements les plus brutaux pouvant être observés dans l’univers.

À la suite de ces fusions, des ondes gravitationnelles sont générées, une sorte de « ride » dans l’espace-temps qui se déplace à la vitesse de la lumière, et qui peuvent actuellement être détectées grâce aux détecteurs développés par des collaborations internationales comme Virgo, Kagra ou LIGO.

En analysant les ondes gravitationnelles, il est possible d’obtenir des informations sur la fusion des trous noirs, telles que leur masse, la direction de leur rotation et d’autres indices sur leurs origines. Dans la plupart des cas, les trous noirs sont formés à partir des restes d’étoiles massives qui se sont effondrées sous leur propre gravité après avoir épuisé leur combustible nucléaire.

Cependant, selon les théories astrophysiques, il existe une sorte de vide dans lequel les trous noirs ne peuvent pas se former directement à partir de l’effondrement stellaire, et qui est connu sous le nom d’intervalle de masse d’instabilité des paires. On pense que les trous noirs situés dans cet intervalle proviennent de fusions hiérarchiques, c’est-à-dire de fusions successives de trous noirs « ancestraux » plus petits, dont chacun forme un trou noir de plus en plus massif. Ils forment ainsi une sorte d’arbre généalogique dans lequel cette recherche entend se plonger.

Même si cette explication semble simple, le processus n’est pas anodin. Pour qu’un trou noir participe à des fusions successives, il doit rester lié à son environnement hôte, comme une galaxie ou un amas dense d’étoiles. Cependant, les trous noirs produits lors des fusions acquièrent une vitesse de recul, ou coup de pied, qui peut atteindre des milliers de kilomètres par seconde, souvent suffisamment pour les éjecter de la plupart des environnements hôtes.

Par exemple, dans les amas globulaires, considérés comme des hôtes clés pour les fusions de trous noirs, la vitesse de fuite n’est que d’environ 50 km/s. Bien que la rotation et la masse des trous noirs puissent être mesurées directement à partir des signaux d’ondes gravitationnelles, la vitesse de recul dépend des propriétés des « ancêtres » des trous noirs en fusion, qui ne peuvent pas être observées directement.

“Avec ce type d’étude, nous pouvons non seulement deviner les ancêtres des trous noirs que nous observons. Nous pouvons également deviner dans quel type d’environnement (le cas échéant) ce processus aurait pu se dérouler. Si aucun environnement n’est viable et que ces trous noirs ne peut pas être le résultat de fusions précédentes, nous devrons peut-être repenser l’évolution stellaire ou considérer que nous n’observons peut-être pas du tout de trous noirs”, déclare le professeur Juan Calderón Bustillo, chercheur Ramón y Cajal à l’IGFAE, centre commun de l’Université de Santiago. de Compostela et Xunta de Galicia (Espagne), et co-auteur de l’étude.

Analyse du mystérieux signal GW190521

L’équipe a appliqué cette technique au mystérieux signal d’onde gravitationnelle GW190521, qui implique un trou noir tombant dans l’espace de masse interdit.

“Nous avons constaté que, d’après les propriétés que certains groupes ont trouvées pour ce trou noir, il est peu probable qu’il se soit formé dans un amas globulaire en raison des grands coups de pied dont ce trou noir a pu hériter”, explique Carlos Araujo, étudiant en maîtrise à l’Université de Los Angeles. Instituto de Astrofisica de Canarias et ancien étudiant de premier cycle à l’Université de Saint-Jacques-de-Compostelle.

“En effet, les environnements avec des vitesses de fuite plus élevées, comme les noyaux galactiques actifs ou les amas d’étoiles nucléaires, semblent plus plausibles, en raison de leur capacité à retenir les trous noirs avec de grands coups de pied. Cela concorde avec les études existantes suggérant que GW190521 s’est produit dans un noyau galactique actif. ” déclare Henry Wong, ancien étudiant au CUHK et maintenant data scientist dans le secteur privé.

“Nous avons découvert que nous pouvons accéder au coup de naissance du trou noir car il est étroitement lié à sa rotation. Malheureusement, nous ne pouvons pas aujourd’hui mesurer les spins avec beaucoup de précision, ce qui est l’un des facteurs limitants de notre étude. Comme LIGO et Virgo le gardent En augmentant leur sensibilité et en mettant en ligne de nouveaux détecteurs de troisième génération, notre méthode fournira des informations plus détaillées sur la généalogie des trous noirs que nous observons », déclare Ania Liu, co-auteur de l’étude et doctorante à CUHK.