Utiliser de petits trous noirs pour détecter de grands trous noirs

Une équipe internationale d’astrophysiciens, avec la participation de l’Université de Zurich, propose une nouvelle méthode pour détecter les paires des plus grands trous noirs trouvés au centre des galaxies en analysant les ondes gravitationnelles générées par les binaires de petits trous noirs stellaires proches. La recherche est publiée dans la revue Astronomie de la nature.

L’origine des trous noirs supermassifs que l’on trouve au centre des galaxies reste l’un des plus grands mystères de l’astronomie. Il se peut qu’ils aient toujours été massifs et se soient formés lorsque l’univers était encore très jeune. Il se peut aussi qu’ils se soient développés au fil du temps en accrétant de la matière et d’autres trous noirs. Lorsqu’un trou noir supermassif est sur le point d’en manger un autre, celui-ci émet des ondes gravitationnelles, qui sont des ondulations de l’espace-temps qui se propagent à travers l’univers.

Le défi de détecter les trous noirs massifs

Des ondes gravitationnelles ont récemment été détectées, mais uniquement dans les petits trous noirs, vestiges d’étoiles. Il est encore impossible de détecter les signaux de paires individuelles de grands trous noirs, car les détecteurs actuels ne sont pas sensibles aux très basses fréquences des ondes gravitationnelles qu’ils émettent. Les futurs détecteurs prévus, comme la mission spatiale LISA dirigée par l’ESA, remédieront en partie à ce problème, mais la détection des paires de trous noirs les plus massifs restera hors de question.

Utiliser les hautes fréquences pour mesurer les basses fréquences

Une équipe internationale d’astrophysiciens dirigée par d’anciens étudiants de l’université de Zurich propose une nouvelle idée et une nouvelle méthode pour détecter les paires des plus grands trous noirs trouvés au centre des galaxies en analysant les ondes gravitationnelles générées par les binaires de petits trous noirs stellaires proches, qui sont les restes d’étoiles effondrées.

Cette approche, qui nécessitera un détecteur d’ondes gravitationnelles à une fréquence de dix déci-Hz, permettrait de découvrir les plus grandes binaires de trous noirs supermassifs, qui pourraient rester inaccessibles autrement.

« Notre idée fonctionne essentiellement comme l’écoute d’une chaîne radio. Nous proposons d’utiliser le signal de paires de petits trous noirs de la même manière que les ondes radio transportent le signal. Les trous noirs supermassifs sont la musique qui est codée dans la modulation de fréquence (FM) du signal détecté », a déclaré Jakob Stegmann, auteur principal de l’étude qui a commencé ce travail à l’université de Zurich en tant qu’étudiant invité et qui est depuis lors passé à l’Institut Max Planck d’astrophysique en tant que chercheur postdoctoral.

« L’aspect novateur de cette idée est d’utiliser des fréquences élevées, faciles à détecter, pour sonder des fréquences plus basses auxquelles nous ne sommes pas encore sensibles. »

Une balise indique des trous noirs plus grands

Des résultats récents obtenus à partir de réseaux de chronométrage de pulsars étayent déjà l’existence de binaires de trous noirs supermassifs en fusion. Cette preuve est cependant indirecte et provient du signal collectif de nombreux binaires distants qui créent effectivement un bruit de fond.

La méthode proposée pour détecter les binaires de trous noirs supermassifs individuels exploite les changements subtils qu’ils provoquent dans les ondes gravitationnelles émises par une paire de petits trous noirs de masse stellaire à proximité. Le petit binaire de trous noirs fonctionne ainsi efficacement comme un phare révélant l’existence des trous noirs plus gros.

En détectant les minuscules modulations dans les signaux des petits trous noirs binaires, les scientifiques ont ainsi pu identifier des trous noirs binaires supermassifs jusqu’alors cachés, dont la masse s’échelonne de 10 à 100 millions de fois celle de notre Soleil, même à de grandes distances.

Lucio Mayer, co-auteur de l’étude et théoricien des trous noirs à l’université de Zurich, a ajouté : « La voie à suivre pour l’antenne spatiale à interféromètre laser (LISA) étant désormais définie, après son adoption par l’ESA en janvier dernier, la communauté doit évaluer la meilleure stratégie pour la prochaine génération de détecteurs d’ondes gravitationnelles, en particulier la gamme de fréquences qu’ils devraient cibler. Des études comme celle-ci apportent une forte motivation pour donner la priorité à une conception de détecteur déci-Hz. »