L’existence des trous noirs intermédiaires a enfin été prouvée directement

Pour la première fois, des scientifiques ont obtenu une preuve directe de l’existence des trous noirs de masse intermédiaire. La découverte, rapportée par le CNRS, est détaillée dans les revues Physical Review Letters et The Astrophysical Journal Letters le 2 septembre 2020.

Jusqu’alors, seules des preuves indirectes de l’existence de ce type de trous noirs avaient été obtenues. Ces objets célestes représentent entre 100 et 100 000 fois la masse du Soleil. Ils sont plus lourds que les trous noirs stellaires, nés de l’effondrement d’étoiles, et plus légers que les trous noirs supermassifs, logés au cœur de grandes galaxies.

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Qu’est-ce qu’un trou noir ?

Représentation de la rencontre de ces deux trous noirs.

Source : LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)

142 fois la masse du Soleil

Qu’ont étudié les scientifiques exactement ?

Ce sont des ondes gravitationnelles qui ont été détectées par les instruments Ligo et Virgo le 21 mai 2019, sous la forme d’un signal baptisé GW190521. Ces ondes gravitationnelles sont issues de la fusion de deux trous noirs de 85 et 65 fois la masse du Soleil. Le trou noir résultant de cet événement a la masse de 142 soleils, ce qui en fait le trou noir le plus lourd jamais observé avec la technique des ondes gravitationnelles. Par ailleurs, le signal GW190521 est le plus distant (17 milliards d’années-lumière) et le plus ancien enregistré par ces instruments (il a fallu 7 milliards d’années pour que les ondes gravitationnelles arrivent jusqu’à nous).

« Le vestige de GW190521 répond à la définition d’un trou noir de masse intermédiaire », écrivent les scientifiques dans leur article principal, paru dans Physical Review Letters. Cette observation directe suscite également des questions : comment un tel système a-t-il pu se former et évoluer ? D’après les connaissances actuelles, la mort d’une étoile ne peut donner naissance à des trous noirs de 60 à 120 masses solaires. La formation d’un trou noir de 85 masses solaires intrigue tout particulièrement les scientifiques.

Comment un tel système a-t-il pu se former ?

Plusieurs hypothèses sont soulevées pour tenter de commencer à expliquer ce mystère. D’abord, il est possible que la communauté scientifique ait mal cerné la fin de vie des étoiles massives. Ensuite, on pourrait imaginer que le trou noir primaire de ce système n’a pas une origine stellaire : il pourrait être né de la fusion d’autres trous noirs encore plus petits. Enfin, ce système pourrait être un duo de trous noirs primordiaux, c’est-à-dire formés alors que l’Univers était encore très jeune.

Le système à l’origine du signal GW190521 est-il unique ? La réponse n’est pas encore connue. Il se pourrait que ce système soit simplement à classer parmi la population de trous noirs binaires déjà observés par Ligo et Virgo, mais simplement comme un extrême possible (en raison de sa masse). « Il n’est pas possible de conclure pour le moment si GW190521 représente le premier d’une nouvelle population de trous noirs binaires », concluent les auteurs dans The Astrophysical Journal Letters.

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