Les scientifiques ont résolu le mystère entourant la fusion de trous noirs la plus massive jamais détectée, révélant comment deux trous noirs « impossibles » se sont formés malgré l’hypothèse de longue date selon laquelle des étoiles de cette taille ne devraient pas exister. La collision, désignée GW231123, impliquait deux trous noirs pesant environ 100 et 130 fois la masse de notre soleil – tombant dans un « écart de masse » précédemment pensé où les trous noirs ne devraient pas exister.
L’impossible problème du trou noir
Pendant des décennies, les astronomes ont cru que les étoiles suffisamment grandes pour produire des trous noirs de cette magnitude exploseraient violemment en supernovae, ne laissant aucun vestige capable de s’effondrer en trou noir. La découverte de GW231123 a remis en question cette compréhension, car elle présentait deux de ces objets « interdits », tous deux tournant à des vitesses extrêmes. Cela soulève la question suivante : comment ces trous noirs pourraient-ils se former alors qu’ils ne devraient pas ?
Le rôle de la rotation rapide et du magnétisme
La percée est venue de simulations détaillées prenant en compte des étoiles à rotation rapide et hautement magnétisées. Les chercheurs ont découvert que lorsque ces étoiles s’effondrent, de puissants champs magnétiques à l’intérieur du noyau créent de puissants écoulements, expulsant une grande partie de la matière stellaire avant qu’elle ne puisse tomber dans le trou noir en formation. Ce processus réduit la masse finale, la poussant dans l’espace de masse auparavant inaccessible.
“Nous avons montré que si l’étoile tourne rapidement, elle forme un disque d’accrétion autour du trou noir nouvellement né. De puissants champs magnétiques générés à l’intérieur de ce disque peuvent générer de puissants flux sortants qui expulsent une partie du matériau stellaire, l’empêchant de tomber dans le trou noir.” — Ore Gottlieb, Centre d’astrophysique computationnelle
La simulation a également lié la masse finale et la rotation du trou noir à la force de son champ magnétique. Des champs plus forts éjectent plus de matière, ce qui donne lieu à un reste de masse inférieure et à rotation plus lente. Des champs plus faibles permettent une plus grande rétention de masse, créant des trous noirs plus lourds et à rotation plus rapide. Les propriétés déduites de GW231123 s’alignent parfaitement avec ce modèle, suggérant qu’un trou noir s’est formé dans une étoile au magnétisme modéré, tandis que l’autre provenait d’un champ plus faible.
Implications pour la gravité et l’histoire cosmique
Cette découverte a de profondes implications. Des événements extrêmes comme GW231123 poussent la théorie de la relativité générale d’Einstein jusqu’à ses limites, fournissant un terrain d’essai pour la théorie dans les environnements gravitationnels les plus extrêmes. La capacité d’observer de telles fusions à travers les ondes gravitationnelles – des ondulations dans l’espace-temps – offre une fenêtre unique sur l’univers d’où même la lumière ne peut s’échapper.
De plus, les nouvelles découvertes suggèrent que les trous noirs pourraient se former plus efficacement qu’on ne le pensait auparavant. Si ce mécanisme était courant au début de l’univers, il pourrait expliquer comment la première génération d’étoiles et de trous noirs a engendré les trous noirs supermassifs que l’on trouve aujourd’hui au centre des galaxies.
Quelle est la prochaine étape ?
Les travaux de l’équipe prédisent que les futures détections d’ondes gravitationnelles révéleront une corrélation claire entre la masse et la rotation des trous noirs. À mesure que des trous noirs binaires plus massifs seront découverts, les scientifiques vérifieront si cette relation est vraie sur une population plus large. S’il est confirmé, cela pourrait valider la nouvelle voie de formation et découvrir une population cachée de trous noirs massifs à rotation rapide. La collision de GW231123 n’est peut-être que le premier signe d’une nouvelle ère dans la recherche sur les trous noirs.
