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LIGO et Virgo détectent une collision entre un trou noir et un “objet mystère”

Crédits : LIGO / Caltech / MIT / R. Blessé (IPAC)

Il y a quelques mois, LIGO et VIRGO ont détecté de nouvelles ondes gravitationnelles émises par la fusion de deux objets, dont l’un était 2,6 fois plus massif que le Soleil. Autrement dit, il pourrait s’agir de l’étoile à neutrons la plus lourde jamais découverte…. ou alors du trou noir le plus léger connu.

Lorsqu’elles meurent, faute de carburant, les étoiles les plus massives s’effondrent sous leur propre gravité et laissent derrière elles un trou noir. Les étoiles un peu moins massives, de leur côté, explosent en supernova et laissent derrière elles une étoile à neutrons. Imaginez alors un corps de quelques kilomètres de diamètre dont la masse volumique est de l’ordre d’un milliard de tonnes.

Seulement voilà. En théorie, une étoile à neutrons ne peut visiblement pas dépasser les 2,5 masses solaires. D’un autre côté, le trou noir le plus léger jamais recensé présente environ cinq masses solaires. La question que se posent les chercheurs depuis des décennies est : quel type d’objet obtenons-nous à l’intérieur de cet “écart de masse” ?

Détection d’un objet de 2,6 masses solaires

Le 14 août 2019, les détecteurs LIGO (États-Unis) et VIRGO (Italie) ont enregistré de nouvelles ondes gravitationnelles.

D’après l’étude, publiée dans The Astrophysical Journal, celles-ci ont été libérées à 800 millions d’années-lumière par la fusion de deux objets. L’un d’eux était un trou noir d’environ 23 masses solaires, tandis que l’autre était un objet de 2,6 masses solaires. Autrement dit, un objet qui intégrait ce fameux “écart de masse”. Mais alors, quelle était sa nature ?

« Nous attendons de résoudre ce mystère depuis des décennies, explique Vicky Kalogera, professeure à la Northwestern University. Nous ne savons pas s’il s’agissait de l’étoile à neutrons la plus lourde connue ou du trou noir le plus léger. Quoi qu’il en soit, il vient de battre un record ! ».

Le fait est que la présence de cet objet ne peut pas être expliquée sans défier notre compréhension de la matière extrêmement dense, ou de ce que nous savons de l’évolution des étoiles.

Comme le souligne Pedro Marronetti, de la National Science Foundation (NSF), « cette observation est encore un autre exemple du potentiel transformateur du champ de l’astronomie des ondes gravitationnelles, qui met en lumière de nouvelles idées à chaque nouvelle détection ».

trou noir étoile à neutrons
Illustration d’artiste d’une fusion d’étoiles à neutrons. Crédits : National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

Un trou noir final de 25 masses solaires

Toujours est-il que cette fusion cosmique – baptisée GW190814 – a donné naissance à un nouvel objet : un trou noir final environ 25 fois plus massif que le Soleil (une partie de la masse fusionnée a été convertie sous forme d’ondes à cause de l’explosion).

Notez également qu’avant la fusion, les masses des deux objets différaient d’un facteur 9. C’est à ce jour le rapport de masse le plus extrême enregistré pour un tel événement.

Enfin, si “l’objet mystère” était effectivement une étoile à neutrons, nous aurions alors finalement assisté à notre première fusion étoile à neutrons/trou noir. Jusqu’à présent, seules des fusions entre étoiles à neutrons et entre trous noirs ont été enregistrées.

Mais comment le savoir ? Le seule moyen serait d’identifier d’autres événements similaires.

« C’est le premier aperçu de ce qui pourrait être une toute nouvelle population d’objets binaires compacts, souligne Charlie Hoy, membre de la collaboration scientifique LIGO. Ce qui est vraiment excitant, c’est que ce n’est que le début. Alors que les détecteurs deviennent de plus en plus sensibles, nous observerons encore plus de ces signaux à l’avenir ».

À l’inverse, comme le note également Patrick Brady, de l’Université du Wisconsin et porte-parole de la Collaboration scientifique LIGO, cet écart de masse pourrait en fait ne pas exister du tout, mais simplement résulter des limitations de nos capacités d’observation. « Le temps et d’autres observations nous le diront », conclut-il.

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