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 indispensables 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 LIGO, qui a rejoint l’arsenal des astronomes en 2002. Cet engin est entièrement dédié à l’étude des ondes gravitationnelles. En théorie, il s’agit d’oscillations de l’espace-temps prédites par la relativité générale d’Einstein; en pratique, pour les astronomes, il s’agit surtout d’un signe qu’un événement 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 sensationnelle : 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 questions qu’elle a apportées de réponses.

Un premier contact bien mystérieux

Même si ce champ de recherche continue de progresser, aujourd’hui, il reste des questions centrales à laquelle nous ne savons toujours pas répondre avec une certitude absolue. Nous sommes toujours incapables de déterminer exactement 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 Virgo, ont repéré des ondes gravitationnelles d’une intensité inhabituelle. L’événement, baptisé GW190521, a été interprété par les astronomes comme 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 suspect 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. Les astronomes ont donc continué à scruter GW190521, et ils ont fini par faire une troisième découverte époustouflante.

Une question de géométrie

Habituellement, lorsque deux trous noirs s’apprêtent à fusionner, ils partagent une même orbite relativement circulaire (dans leur référentiel). Cette forme est importante, car elle est directement liée aux forces 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; on parle d’orbite elliptique. Un point qui semble tout simplement incompatible avec les modèles actuels sur ce cas de figure. Plus de doute possible : il y a incontestablement anguille sous roche, et il s’agit probablement d’un événement plus complexe que les chercheurs ne l’imaginaient.

Les observations 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 véritable jackpot, puisque toutes les observations – y compris celles de 2019 – se sont révélées compatibles 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 millions de fois plus lourds que notre Soleil; on parle alors de trou noir supermassif.

Ces derniers génèrent une force gravitationnelle tellement immense qu’elle permet à elle seule de structurer des galaxies 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”, explique Bence Kocsis, co-auteur de l’étude à l’Université d’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 chaotique avec plusieurs trous noirs qui partent dans tous les sens”, détaille son co-auteur 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 de 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 “chaotique” (voir la théorie du chaos et la vidéo d’illustration ci-dessus). Pour résumer très, très sommairement, cela signifie qu’il est plus ou moins impossible de prédire leur comportement à la perfection; il faudrait pour cela disposer d’un niveau de précision infini, ce qui est impossible.

On peut donc affirmer que des casse-têtes physico-mathématiques fascinants attendent les chercheurs au tournant. “C’est quelque chose 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 fascinant”, s’extasie-t-il.

Désormais, tout l’enjeu va être d’en apprendre plus sur les fameux disques des trous noirs supermassifs. L’objectif sera donc d’essayer de repérer de nouveaux événements inhabituels 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 immense jeu de billard cataclysmique qui se joue à des millions d’ années-lumière de la Terre !

Le texte de l’étude est disponible ici.

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