Des Lyonnais participent à la découverte de nouveaux types de trous noirs

Un trou noir dont la masse est égale à 142 soleils a été découvert par des chercheurs grâce à des ondes gravitationnelles.

Plusieurs équipes du CNRS et de l’Institut de Physique des 2 Infinis (IP2I Lyon, CNRS / Université Claude Bernard Lyon 1) ont fait la découverte d'un trou noir dont la masse est égale à 142 soleils. Il serait issu de la fusion de deux trous noirs de 85 et 65 fois la masse du Soleil. “Le trou noir final est le plus lourd jamais observé avec les ondes gravitationnelles et il pourrait donner des indications sur la formation des trous noirs supermassifs qui siègent au centre de certaines galaxies”, explique le CNRS dans un communiqué.

Dans les faits, aucune image de ce trou noir n'est disponible, mais son signal, GW190521, a été enregistré le 21 mai 2019 par les instruments Ligo et Virgo. Il s'agit du signal le plus distant capté, et donc le plus ancien, l’onde gravitationnelle a mis 7 milliards d’années à nous atteindre. “Cette observation est la première preuve directe de l’existence de trous noirs dits "de masse intermédiaire" (entre 100 et 100 000 fois plus massifs que le Soleil). Ces derniers sont plus lourds que ceux issus de l’effondrement d’étoiles massives, mais beaucoup plus légers que les trous noirs supermassifs logés au centre de certaines galaxies. Jusqu’à présent, seules des preuves indirectes obtenues grâce aux observations électromagnétiques laissaient présager leur existence”, précise le CNRS.

Et d'ajoute : “Les trous noirs de masse intermédiaire sont intéressants, car ils pourraient être la clef d’une des énigmes de l’astrophysique et de la cosmologie : l'origine des trous noirs supermassifs. Si la question est encore largement ouverte, l’un des scénarios proposés pour expliquer la naissance de ces monstres cosmiques est justement la fusion à répétition de trous noirs de masse intermédiaire”.

L'Univers étant toujours un mystère, cette découverte, si elle en affine la compréhension, pose aussi de nombreuses questions. D’après les connaissances actuelles, l’effondrement gravitationnel d’une étoile ne peut pas former de trous noirs entre environ 60 et 120 masses solaires, car les étoiles les plus massives sont complètement soufflées par l’explosion en supernova qui accompagne cet effondrement, ne laissant derrière elles que gaz et poussière. “Comment le trou noir de 85 fois la masse du Soleil, qui siège dans cette région interdite, s’est-il donc formé ? Y a-t-il quelque chose de mal compris dans la fin de vie des étoiles massives ? S’il n’a pas une origine stellaire, pourrait-il lui-même résulter d’une fusion antérieure de trous noirs moins massifs ? Est-il au contraire un hypothétique trou noir primordial, formé lors du Big Bang ?”. Autant de questions que se posent encore les chercheurs. Cette découverte pourrait bien les mettre sur la piste de de premières réponses. 

L'article des chercheurs a été publié ce mercredi 2 septembre dans les revues Physical Review Letters et Astrophysical Journal Letters.

Les publications scientifiques annonçant cette observation sont cosignées par 99 scientifiques de huit équipes françaises faisant partie de la collaboration Virgo :

• le laboratoire Astroparticule et cosmologie (CNRS/Université de Paris) ;

• le laboratoire Astrophysique relativiste, théories, expériences, métrologie, instrumentation, signaux (CNRS/Observatoire de la Côte d’Azur/Université Côte d’Azur) ;

• l’Institut de physique des 2 infinis de Lyon (CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1) ;

• l’Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (CNRS/Université de Strasbourg) ;

• l’Institut lumière matière (CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1) ;

• le Laboratoire d'Annecy de physique des particules (CNRS/Université Savoie Mont Blanc) ;

• le Laboratoire Kastler Brossel (CNRS/Sorbonne Université/ENS-PSL/Collège de France) ;

• le Laboratoire de physique des 2 infinis - Irène Joliot-Curie (CNRS/Université Paris-Saclay).

Des scientifiques co-signataires des publications sont associés aux équipes ci-dessus et font partie des laboratoires suivants : Institut Foton (CNRS/Université Rennes 1/Insa Rennes), laboratoire Lagrange (CNRS/Université Côte d’Azur/Observatoire Côte d’Azur), Laboratoire de physique et d'étude des matériaux (CNRS/Sorbonne Université/ESPCI Paris).