En janvier 2016, des chercheurs de l'Observatoire des ondes gravitationnelles des interféromètres laser (LIGO) ont marqué l'histoire en annonçant la toute première détection d'ondes gravitationnelles. Soutenu par la National Science Foundation (NSF) et exploité par Caltech et MIT, LIGO se consacre à l'étude des ondes prédites par la théorie de la relativité générale d'Einstein et provoquées par les fusions de trous noirs.
Selon une nouvelle étude d'une équipe d'astronomes du Center of Cosmology de l'Université de Californie à Irvine, de telles fusions sont beaucoup plus courantes que nous ne le pensions. Après avoir effectué une étude du cosmos destinée à calculer et à catégoriser les trous noirs, l'équipe UCI a déterminé qu'il pourrait y avoir jusqu'à 100 millions de trous noirs dans la galaxie, une découverte qui a des implications importantes pour l'étude des ondes gravitationnelles.
L'étude qui détaille leurs découvertes, intitulée «Counting Black Holes: The Cosmic Stellar Remnant Population and Implications for LIGO», a récemment paru dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society. Dirigée par Oliver D. Elbert, un étudiant postdoctoral au département de physique et d'astronomie de l'UC Irvine, l'équipe a effectué une analyse des signaux d'ondes gravitationnelles qui ont été détectés par LIGO.
Leur étude a commencé il y a environ un an et demi, peu de temps après que LIGO a annoncé la première détection des ondes gravitationnelles. Ces vagues ont été créées par la fusion de deux trous noirs distants, chacun ayant une masse équivalente à environ 30 soleils. Comme James Bullock, professeur de physique et d'astronomie à UC Irvine et co-auteur du document, l'a expliqué dans un communiqué de presse de l'UCI:
«Fondamentalement, la détection des ondes gravitationnelles était un énorme problème, car elle confirmait une prédiction clé de la théorie générale de la relativité d'Einstein. Mais ensuite, nous avons examiné de plus près l'astrophysique du résultat réel, une fusion de deux trous noirs de 30 masses solaires. C'était tout simplement stupéfiant et nous a demandé: «Quelle est la fréquence des trous noirs de cette taille et à quelle fréquence fusionnent-ils?» »
Traditionnellement, les astronomes étaient d'avis que les trous noirs auraient généralement la même masse que notre Soleil. À ce titre, ils ont cherché à interpréter les multiples détections d'ondes gravitationnelles effectuées par LIGO en termes de ce que l'on sait de la formation des galaxies. Au-delà de cela, ils ont également cherché à créer un cadre pour prédire les futures fusions de trous noirs.
De là, ils ont conclu que la galaxie de la Voie lactée abriterait jusqu'à 100 millions de trous noirs, dont 10 millions auraient une masse estimée à environ 30 masses solaires - c'est-à-dire similaires à celles qui ont fusionné et créé les premières ondes gravitationnelles détectées par LIGO en 2016. Pendant ce temps, les galaxies naines - comme le Draco Dwarf, qui orbite à une distance d'environ 250 000 ly du centre de notre galaxie - hébergeraient environ 100 trous noirs.
Ils ont en outre déterminé qu'aujourd'hui, la plupart des trous noirs de faible masse (~ 10 masses solaires) résident dans des galaxies de 1 billion de masses solaires (galaxies massives) tandis que des trous noirs massifs (~ 50 masses solaires) résident dans des galaxies qui ont environ 10 milliards de masses solaires. (c.-à-d. galaxies naines). Après avoir examiné la relation entre la masse de la galaxie et la métallicité stellaire, ils ont interprété le nombre de trous noirs d'une galaxie en fonction de sa masse stellaire.
De plus, ils ont également cherché à déterminer à quelle fréquence les trous noirs se produisent par paires, à quelle fréquence ils fusionnent et combien de temps cela prendrait. Leur analyse a indiqué que seule une infime fraction des trous noirs devrait être impliquée dans les fusions pour tenir compte de ce que LIGO a observé. Il a également proposé des prédictions montrant comment des trous noirs encore plus grands pourraient fusionner au cours de la prochaine décennie.
Comme Manoj Kaplinghat, également professeur de physique et d'astronomie à l'UCI et deuxième co-auteur de l'étude, a expliqué:
«Nous montrons que seulement 0,1 à 1% des trous noirs formés doivent fusionner pour expliquer ce que LIGO a vu. Bien sûr, les trous noirs doivent se rapprocher suffisamment pour fusionner dans un délai raisonnable, ce qui est un problème ouvert… Si les idées actuelles sur l'évolution stellaire sont correctes, nos calculs indiquent que les fusions de trous noirs de masse solaire même de 50 être détecté dans quelques années. "
En d'autres termes, notre galaxie pourrait regorger de trous noirs et des fusions pourraient se produire régulièrement (par rapport aux échelles de temps cosmologiques). À ce titre, nous pouvons nous attendre à ce que de nombreuses autres détections d'ondes de gravité soient possibles dans les années à venir. Cela ne devrait pas surprendre, car LIGO a effectué deux détections supplémentaires depuis l'hiver 2016.
Avec beaucoup d'autres à venir, les astronomes auront de nombreuses occasions d'étudier les fusions de trous noirs, sans parler de la physique qui les anime!
