Sans plus de données, les origines d’un trou noir peuvent être « tournées » dans n’importe quelle direction

Des indices sur les origines d’un trou noir peuvent être trouvés dans la façon dont il tourne. Cela est particulièrement vrai pour les binaires, dans lesquels deux trous noirs se rapprochent avant de fusionner. La rotation et l’inclinaison des trous noirs respectifs juste avant qu’ils ne fusionnent peuvent révéler si les géants invisibles sont issus d’un disque galactique silencieux ou d’un amas d’étoiles plus dynamique.

Les astronomes espèrent déterminer laquelle de ces histoires d’origine est la plus probable en analysant les 69 binaires confirmés détectés à ce jour. Mais une nouvelle étude révèle que pour l’instant, le catalogue actuel de binaires n’est pas suffisant pour révéler quoi que ce soit de fondamental sur la formation des trous noirs.

Dans une étude parue aujourd’hui dans la revue Astronomie et astrophysiqueles physiciens du MIT montrent que lorsque tous les binaires connus et leurs spins sont intégrés dans des modèles de formation de trous noirs, les conclusions peuvent sembler très différentes, selon le modèle particulier utilisé pour interpréter les données.

Les origines d’un trou noir peuvent donc être « tournées » de différentes manières, selon les hypothèses d’un modèle sur le fonctionnement de l’univers.

« Lorsque vous modifiez le modèle et le rendez plus flexible ou faites des hypothèses différentes, vous obtenez une réponse différente sur la façon dont les trous noirs se sont formés dans l’univers », explique la co-auteure de l’étude, Sylvia Biscoveanu, étudiante diplômée du MIT travaillant au laboratoire LIGO. « Nous montrons que les gens doivent être prudents car nous n’en sommes pas encore au stade avec nos données où nous pouvons croire ce que le modèle nous dit. »

Les co-auteurs de l’étude incluent Colm Talbot, un post-doctorant du MIT ; et Salvatore Vitale, professeur agrégé de physique et membre de l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT.

Une histoire aux deux origines

On pense que les trous noirs dans les systèmes binaires apparaissent par l’une des deux voies. La première est à travers « l’évolution binaire du champ », dans laquelle deux étoiles évoluent ensemble et finissent par exploser en supernovae, laissant derrière elles deux trous noirs qui continuent de tourner dans un système binaire. Dans ce scénario, les trous noirs devraient avoir des spins relativement alignés, car ils auraient eu le temps – d’abord en tant qu’étoiles, puis en tant que trous noirs – de se tirer et de se tirer dans des orientations similaires. Si les trous noirs d’un binaire ont à peu près le même spin, les scientifiques pensent qu’ils doivent avoir évolué dans un environnement relativement calme, comme un disque galactique.

Les binaires de trous noirs peuvent également se former par « assemblage dynamique », où deux trous noirs évoluent séparément, chacun avec sa propre inclinaison et sa propre rotation. Par certains processus astrophysiques extrêmes, les trous noirs sont finalement réunis, suffisamment proches pour former un système binaire. Un tel appariement dynamique se produirait probablement non pas dans un disque galactique silencieux, mais dans un environnement plus dense, tel qu’un amas globulaire, où l’interaction de milliers d’étoiles peut faire se cogner deux trous noirs. Si les trous noirs d’un binaire ont des spins orientés au hasard, ils se sont probablement formés dans un amas globulaire.

Mais quelle fraction de binaires se forme via un canal par rapport à l’autre ? La réponse, selon les astronomes, devrait résider dans les données, et en particulier dans les mesures des spins des trous noirs.

À ce jour, les astronomes ont dérivé les spins des trous noirs dans 69 binaires, qui ont été découverts par un réseau de détecteurs d’ondes gravitationnelles, dont LIGO aux États-Unis et son homologue italien Virgo. Chaque détecteur écoute les signes d’ondes gravitationnelles – des réverbérations très subtiles à travers l’espace-temps qui sont laissées par des événements astrophysiques extrêmes tels que la fusion de trous noirs massifs.

Avec chaque détection binaire, les astronomes ont estimé les propriétés respectives du trou noir, y compris leur masse et leur spin. Ils ont travaillé les mesures de spin dans un modèle généralement accepté de formation de trous noirs et ont trouvé des signes que les binaires pourraient avoir à la fois un spin préféré et aligné, ainsi que des spins aléatoires. Autrement dit, l’univers pourrait produire des binaires à la fois dans les disques galactiques et les amas globulaires.

« Mais nous voulions savoir, avons-nous suffisamment de données pour faire cette distinction? » dit Biscoveanu. « Et il s’avère que les choses sont désordonnées et incertaines, et c’est plus difficile qu’il n’y paraît. »

Faire tourner les données

Dans leur nouvelle étude, l’équipe du MIT a testé si les mêmes données donneraient les mêmes conclusions lorsqu’elles seraient utilisées dans des modèles théoriques légèrement différents de la formation des trous noirs.

L’équipe a d’abord reproduit les mesures de spin de LIGO dans un modèle largement utilisé de formation de trous noirs. Ce modèle suppose qu’une fraction des binaires dans l’univers préfère produire des trous noirs avec des spins alignés, où le reste des binaires a des spins aléatoires. Ils ont constaté que les données semblaient être en accord avec les hypothèses de ce modèle et montraient un pic là où le modèle prévoyait qu’il devrait y avoir plus de trous noirs avec des spins similaires.

Ils ont ensuite légèrement modifié le modèle, modifiant ses hypothèses de manière à ce qu’il prédise une orientation légèrement différente des rotations préférées des trous noirs. Lorsqu’ils ont travaillé les mêmes données dans ce modèle modifié, ils ont constaté que les données étaient décalées pour s’aligner sur les nouvelles prédictions. Les données ont également fait des changements similaires dans 10 autres modèles, chacun avec une hypothèse différente sur la façon dont les trous noirs préfèrent tourner.

« Notre article montre que votre résultat dépend entièrement de la façon dont vous modélisez votre astrophysique, plutôt que des données elles-mêmes », déclare Biscoveanu.

« Nous avons besoin de plus de données que nous ne le pensions, si nous voulons faire une affirmation indépendante des hypothèses astrophysiques que nous faisons », ajoute Vitale.

De combien de données supplémentaires les astronomes auront-ils besoin ? Vitale estime qu’une fois le réseau LIGO redémarré au début de 2023, les instruments détecteront un nouveau binaire de trou noir tous les quelques jours. Au cours de la prochaine année, cela pourrait ajouter des centaines de mesures supplémentaires à ajouter aux données.

« Les mesures des spins que nous avons maintenant sont très incertaines », déclare Vitale. « Mais au fur et à mesure que nous en construisons beaucoup, nous pouvons obtenir de meilleures informations. Ensuite, nous pouvons dire, quel que soit le détail de mon modèle, les données me racontent toujours la même histoire, une histoire à laquelle nous pourrions alors croire. »

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement au MIT.