Un événement cosmique spectaculaire a été récemment détecté alors que deux trous noirs massifs se sont unis, générant des ondes gravitationnelles perceptibles depuis la Terre. Cette découverte éclaire des aspects encore méconnus de la formation et de l’évolution des trous noirs dans l’univers, ce qui pourrait transformer notre compréhension de ces mystérieux objets célestes.
Au cœur de l’espace profond, deux grands trous noirs ont commencé à tourner l’un autour de l’autre, de plus en plus vite et de plus en plus près, jusqu’à se « heurter » et fusionner en un énorme objet. L’événement a été si énergique qu’il a provoqué une distorsion de l’espace-temps. Cela a engendré une onde gravitationnelle captée par les observateurs LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) de Hanford et Livingston, aux États-Unis, membres de la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA (LVK). Les chercheurs ont identifié ce signal sous le nom de GW231123; il s’agit de la fusion des deux trous noirs les plus massifs jamais détectés.
La collaboration LVK a annoncé cette découverte dans un communiqué, fournissant des données préliminaires dans le cadre de la quatrième période d’observation (O4), débutée en mai 2023. Le phénomène extrêmement puissant a été décelé par les interféromètres de LIGO le 23 novembre 2023. Lorsque des événements cosmiques très énergétiques se produisent, comme la fusion entre deux trous noirs ou entre un trou noir et une étoile à neutrons, des ondes gravitationnelles sont libérées – des perturbations dans l’espace-temps – que les bras kilométriques des interféromètres LIGO (aux États-Unis), Virgo (en Italie) et KAGRA (au Japon) peuvent détecter. Le passage de ces signaux imperceptibles modifie la longueur du laser utilisé par ces grands instruments; en fonction des caractéristiques des signaux gravitationnels, telles que leur intensité et fréquence, les chercheurs peuvent estimer les masses des objets impliqués. C’est par cette méthode que l’importance du signal GW231123 a été déterminée.
D’après les calculs des experts, les deux trous noirs ayant participé à l’événement de fusion possédaient des masses d’environ 103 et 137 fois celle du Soleil. Leur fusion a créé un unique objet de 225 masses solaires. Les 15 restantes, expliquées par l’Institut National d’Astronomie et de Physique (INAF), sont celles libérées dans l’espace sous forme d’énergie, agent de l’onde gravitationnelle mesurée par LIGO. Les trous noirs se forment généralement par le collapsus du noyau d’étoiles massives, où une énorme masse est concentrée en un petit espace. La force de gravitation devient si forte qu’elle fait que rien ne peut s’en échapper, pas même les photons de la lumière, d’où leur appellation. Cependant, les trous noirs impliqués dans cet événement sont relativement plus grands que ceux que l’on pourrait penser issus de la mort d’une étoile, ce qui pousse les chercheurs à croire qu’ils pourraient provenir de la fusion de trous noirs plus petits. Malgré leur masse impressionnante, ces trous noirs restent de taille inférieure aux géants centraux des galaxies, appelés trous noirs supermassifs, comme Sagittarius A*, le centre de la Voie lactée, qui a une masse équivalente à environ 4 millions de masses solaires.
Bien que les deux trous noirs associés à l’événement GW231123 ne soient pas les plus grands connus, ils constituent les plus massifs impliqués dans une fusion enregistrée, mettant à l’épreuve les connaissances des astrophysiciens sur ce domaine mystérieux. « La découverte d’un système aussi massif et en rotation rapide représente non seulement un défi pour nos techniques d’analyse des données, mais influencera aussi les études théoriques concernant les processus de formation des trous noirs pour de nombreuses années », a déclaré un chercheur d’un laboratoire de cosmologie à Paris. « Les modèles actuels d’évolution stellaire ne prévoient pas l’existence de trous noirs si massifs, qui pourraient émerger de précédentes fusions de trous noirs plus petits », a ajouté l’expert. « Cet événement pousse nos capacités d’instrumentation et d’analyse des données à leurs limites. C’est un exemple frappant de l’enseignement que nous pouvons retirer de l’astronomie des ondes gravitationnelles et de la richesse des découvertes à venir », a insisté une chercheuse du California Institute of Technology (Caltech).
Jusqu’à présent, les interféromètres du projet LVK ont enregistré environ 300 fusions de trous noirs, dont la plus puissante avant le signal GW231123 était GW190521, qui a donné naissance à un trou noir pesant 140 fois la masse du Soleil. Avec le temps, davantage de phénomènes de ce type seront détectés, nous permettant d’approfondir notre compréhension de l’Univers qui nous entoure.