Comment expliquer la fusion étonnante d’un gros trou noir avec un plus petit ?

Le signal « GW190412 » est unique : il correspond à la première fusion de trous noirs de masses très différentes jamais détectée. Comment cet événement a-t-il été rendu possible ? C’est ce qu’ont tenté de comprendre des scientifiques, dans une étude publiée le 2 septembre 2020 au sein de Physical Review Letters.

« La détection de GW190412 a défié les prévisions », rappellent ces chercheurs. L’un des trous noirs de ce système binaire asymétrique est plus de trois fois plus massif que l’autre : l’un pèse environ 30 fois la masse du Soleil, tandis que l’autre représente 8 masses solaires. Ensemble, ils ont formé un trou noir de 37 masses solaires. Pour les auteurs, cet événement est probablement différent de la façon dont on pense que la plupart des fusions de trous noirs surviennent. Ils ont voulu savoir si « l’un des composants de GW190412 peut être interprété comme le vestige d’une précédente fusion de trous noirs. »

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Qu’est-ce qu’un trou noir ?

Visualisation de l'événement GW190412.

Source : N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration

On estime que les fusions de trous noirs peuvent se produire de deux façons principales. Dans le premier cas, deux étoiles voisines explosent après des milliards d’années, formant deux trous noirs partageant une enveloppe commune. Quelques milliards d’années après, les deux trous noirs fusionnent. Dans le deuxième cas, de nombreux trous noirs sont entassés dans une zone très dense de l’Univers, favorisant des fusions. Néanmoins, dans ces deux scénarios, les deux trous noirs qui entrent en collision ont a peu près la même masse. GW190412 s’est sans doute formé autrement.

Une fusion « hiérarchique »

Pour les auteurs, la meilleure manière d’expliquer les caractéristiques de cet événement est de considérer que GW190412 est « le vestige d’une précédente fusion de trous noirs ». Le plus massif des deux trous noirs du duo est certainement lui-même le résultat d’une rencontre entre deux trous noirs. Dans ce cas, on parle de fusion « hiérarchique ».

L’événement a été détecté le 12 avril 2019 par les observatoires d’ondes gravitationnelles LIGO (États-Unis) et Virgo (Italie). Les scientifiques ont travaillé sur des simulations pour tenter d’expliquer une telle fusion. L’hypothèse de la fusion hiérarchique est apparue comme la plus convaincante pour expliquer les propriétés de GW190412.

Dans ce cas, les auteurs ajoutent qu’il est possible d’en déduire dans quel type d’environnement s’est produite la fusion. Il semble probable que GW190412 ait eu lieu dans un environnement dense, comme le disque de gaz autour d’un trou noir supermassif, ou un « amas nucléaire » (une région gorgée de dizaine de millions d’étoiles). En résumé, cette fusion doit s’être produite dans un environnement inhabituel.

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