Les « carnavals » de trous noirs pourraient produire les signaux vus par les détecteurs d’ondes gravitationnelles

Depuis 2015, la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA a détecté environ 85 paires de trous noirs s’entrechoquant. Nous savons maintenant qu’Einstein avait raison : les ondes gravitationnelles sont générées par ces systèmes lorsqu’ils s’enroulent les uns autour des autres, déformant l’espace-temps avec leurs masses colossales au fur et à mesure. Nous savons également que ces collisions cosmiques se produisent fréquemment : à mesure que la sensibilité du détecteur s’améliore, nous nous attendons à détecter ces événements sur une base quasi quotidienne lors de la prochaine campagne d’observation, à partir de 2023. Ce que nous ne savons pas encore, c’est ce qui les cause. des collisions se produisent.

Les trous noirs se forment lorsque les étoiles massives meurent. En règle générale, cette mort est violente, une explosion d’énergie extrême qui détruirait ou repousserait les objets à proximité. Il est donc difficile de former deux trous noirs suffisamment proches pour fusionner à l’âge de l’univers. Une façon de les faire fusionner est de les pousser ensemble dans des environnements densément peuplés, comme les centres des amas d’étoiles.

Dans les amas d’étoiles, les trous noirs qui commencent très loin l’un de l’autre peuvent être rapprochés via deux mécanismes. Premièrement, il y a la ségrégation de masse, qui conduit les objets les plus massifs à couler vers le milieu du puits de potentiel gravitationnel. Cela signifie que tous les trous noirs dispersés dans l’amas devraient se retrouver au milieu, formant un « noyau noir » invisible. Deuxièmement, il existe des interactions dynamiques. Si deux trous noirs s’apparient dans l’amas, leurs interactions peuvent être influencées par l’influence gravitationnelle des objets proches. Ces influences peuvent retirer l’énergie orbitale du binaire et le rapprocher.

La ségrégation de masse et les interactions dynamiques qui peuvent avoir lieu dans les amas d’étoiles peuvent laisser leur empreinte sur les propriétés des binaires fusionnés. Une propriété clé est la forme de l’orbite du binaire juste avant sa fusion. Étant donné que les fusions dans les amas d’étoiles peuvent se produire très rapidement, les formes orbitales peuvent être assez allongées – moins comme le cercle calme et calme que la Terre trace autour du soleil, et plus comme l’ellipse écrasée que la comète de Halley parcourt lors de ses visites. du système solaire. Lorsque deux trous noirs se trouvent sur une orbite aussi allongée, leur signal d’onde gravitationnelle présente des modulations caractéristiques et peut être étudié pour trouver des indices sur l’endroit où les deux objets se sont rencontrés.

Une équipe de chercheurs et d’anciens élèves d’OzGrav travaillent ensemble pour étudier les formes orbitales des binaires des trous noirs. Le groupe, dirigé par le Dr Isobel Romero-Shaw (anciennement de l’Université Monash, maintenant basée à l’Université de Cambridge) ainsi que les professeurs Paul Lasky et Eric Thrane de l’Université Monash, ont découvert que certains des binaires observés par le LIGO-Virgo -La collaboration KAGRA est en effet susceptible d’avoir des orbites allongées, indiquant qu’elles peuvent être entrées en collision dans un amas d’étoiles densément peuplé. Leurs découvertes indiquent qu’une grande partie des collisions de trous noirs binaires observées – au moins 35% – pourraient avoir été forgées dans des amas d’étoiles.

« J’aime penser aux binaires des trous noirs comme des partenaires de danse », explique le Dr Romero-Shaw. « Quand une paire de trous noirs évolue ensemble dans l’isolement, ils sont comme un couple exécutant une valse lente seul dans la salle de bal. C’est très contrôlé et prudent ; beau, mais rien d’inattendu. Contrastant avec cela, l’atmosphère de style carnaval à l’intérieur d’un groupe d’étoiles, où vous pourriez avoir beaucoup de danses différentes se déroulant simultanément; petits et grands groupes de danse, freestyle et beaucoup de surprises. » Bien que les résultats de l’étude ne puissent pas nous dire exactement où les binaires de trous noirs observés fusionnent, ils suggèrent que les carnavals de trous noirs au centre des amas d’étoiles pourraient être une contribution importante.