Un signal gravitationnel, capté à la fin de l’année 2023, vient seulement d’être révélé par les équipes de la collaboration LIGO/Virgo/KAGRA. Repérés grâce aux infimes interférences qu’il a provoquées, les chercheurs n’ont pas immédiatement compris à quoi ils avaient affaire. Il s’agissait en réalité d’un événement rare et hors-norme : la fusion de deux trous noirs, l’un de 100 masses solaires, l’autre de 140, formant un nouveau trou noir de 225 masses solaires (la différence de masse étant convertie en énergie sous forme d’ondes gravitationnelles).
Ce phénomène, baptisé GW231123, a été présenté cette semaine à Glasgow, lors de la conférence Edoardo Amaldi, comme étant la coalescence de trous noirs la plus énergétique jamais enregistrée. Un choc pour la communauté scientifique, tant il semble déroger aux lois de l’astrophysique et de nos cadres théoriques.
Un trou noir colossal
En novembre 2023, ce sont trois interféromètres situés sur trois continents (LIGO aux États-Unis, Virgo en Italie et KAGRA au Japon) qui ont capté ce frémissement dans l’espace temps. Très faible et surtout très compliqué à interpréter, puisque GW231123, comme les chercheurs l’ont baptisé, ne ressemble à rien de ce qu’ils avaient observé jusque-là.
Même si les fusions de trous noirs de masse stellaire (ceux issus de l’effondrement d’étoiles massives) sont relativement courantes, celle-ci ne joue pas dans la même cour. Avant GW231123, le record était détenu par l’événement GW190521, en 2020, qui avait engendré un trou noir d’environ 140 fois la masse du Soleil. Le trou noir produit par GW231123 est donc 60 % plus massif !
Outre la taille spectaculaire de cet objet, un autre facteur a compliqué la tâche des chercheurs dans l’interprétation de ce signal : la vitesse de rotation des deux trous noirs concernés. Ils tournaient si vite sur eux-mêmes (presque à la limite théorique fixée par les lois de la relativité générale) que leur fusion a produit un signal gravitationnel distordu et aux fréquences irrégulières.
Plus les objets tournent vite, plus les ondulations de l’espace-temps se complexifient : elles s’étirent, se compressent ou changent brusquement de direction. L’empreinte qu’elles laissent alors dans les détecteurs est très difficile à interpréter. Exactement comme si vous essayiez de reconnaître une musique que vous n’avez jamais entendue dans le vacarme d’une foule bruyante. C’est pourquoi il aura fallu presque deux ans pour valider cette enquête.
Quand l’univers prend les chercheurs de court
Le plus intrigant dans le cas GW231123 n’est pas tant la masse de l’objet produit aussi colossale soit-elle, mais que l’objet en question ne devrait, en principe, pas exister dans notre univers. Si l’on en croit, du moins, le cadre théorique actuel qui veut qu’aucune étoile ne puisse former un trou noir de plus de 60 à 70 masses solaires.
Au-delà de ce seuil, nos modèles d’évolution stellaire prévoient une instabilité cataclysmique : l’étoile s’effondre intégralement sur elle-même sans laisser de vestige, un phénomène appelé instabilité de paires. Les deux objets, rappelons-le, affichaient respectivement 100 et 140 masses solaires, des valeurs situées bien au-delà des limites admises. Comment, dans ce cas, GW231123 a-t-il pu se produire ? D’où viennent les deux trous noirs qui en sont à l’origine ?
L’hypothèse privilégiée par les chercheurs, c’est celle de la fusion hiérarchique. Ces deux trous noirs seraient eux-mêmes issus de fusions précédentes, dans un environnement extrêmement dense, comme un amas globulaire ou le noyau d’une galaxie. Ce genre de région cosmique est un peu comme un embouteillage gravitationnel permanent. Les objets massifs s’y croisent, se frôlent, finissent par s’attirer, se percuter, fusionnent entre eux, et cette « danse » recommence sur des échelles de temps très longues.
Sous le prisme de ce cadre théorique, un trou noir peut devenir le produit de plusieurs générations successives de fusions et finir par atteindre, comme ici, une masse totalement hors norme. La fusion hiérarchique était, jusqu’à maintenant, une piste qui tenait de l’hypothèse, car nous ne disposions pas de preuve directe pour la confirmer ou l’infirmer. Un vide que GW231123 vient donc de combler.
À ce titre, on pourrait presque le considérer comme un corps étranger, exposant simultanément les limites de plusieurs pans de notre compréhension de l’astrophysique. GW231123 met à mal au moins trois maillons faibles de nos modèles actuels. Le premier : les mécanismes d’effondrement stellaire au-delà du seuil d’instabilité de paires, qui sont incapables d’expliquer la formation d’objets aussi massifs. Le second : les dynamiques gravitationnelles à l’œuvre dans les milieux ultradenses, qui restent, encore à ce jour, largement sous-modélisées. Le troisième : le comportement orbital de ces systèmes, que rien ne permet aujourd’hui d’anticiper dans des environnements aussi chaotiques. Il y a là matière à (au moins) une décennie de travail pour nous forger de nouveaux outils et cadres conceptuels capables d’intégrer des scénarios que l’on jugeait encore improbables hier. Si Albert Einstein nous voit de là où il est, il doit certainement être en train de nous souffler : « Bon courage ! ».
- En 2023, les détecteurs LIGO, Virgo et KAGRA ont enregistré un signal inédit : la fusion de deux trous noirs exceptionnellement massifs, formant un objet encore jamais observé.
- Cet événement remet en question les modèles classiques d’évolution des étoiles, qui n’expliquent pas la formation de tels monstres gravitationnels.
- L’hypothèse d’un enchaînement de fusions successives dans un environnement extrême gagne en crédibilité, ce qui forcera forcément les astrophysiciens à revoir plusieurs de nos fondements théoriques.
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