Des astronomes, en analysant les données du quatrième catalogue des événements liés aux ondes gravitationnelles (GWTC-4), ont confirmé l’existence d’un écart dans la répartition des masses des trous noirs. Cet écart, causé par un phénomène appelé instabilité de la paire, est étroitement lié aux processus qui se déroulent au cœur des étoiles massives.
L’instabilité de la paire désigne une plage de masses dans laquelle les trous noirs ne se forment pas à la suite de l’effondrement stellaire. Ce domaine, prédit par la théorie de l’évolution stellaire, se situe entre 50 et 130 masses solaires. La raison de cet écart réside dans le fait que, dans les étoiles massives, le noyau de carbone et d’oxygène se réchauffe à un tel point que les photons commencent à se transformer en paires d’électrons et de positrons. Cela induit une chute de la pression de radiation qui soutient l’étoile, entraînant son effondrement. L’explosion de l’oxygène détruit complètement l’étoile, sans laisser de vestige. Il arrive parfois qu’une étoile perde de la masse et s’effondre en un trou noir d’une masse inférieure à la limite inférieure de l’écart.
La recherche GWTC-4 s’est concentrée sur l’analyse de systèmes doubles, où un trou noir est plus massif (composant primaire) et l’autre moins massif (composant secondaire). Les scientifiques ont observé que l’écart se manifeste clairement dans les masses des composants secondaires. Cela s’explique par le fait que les composants primaires peuvent être des trous noirs de seconde génération, résultant de la fusion de deux trous noirs plus légers (origine hiérarchique). Ces objets peuvent se situer dans la plage de l’écart, la « contaminant ». À l’inverse, les composants secondaires sont souvent des trous noirs de première génération, formés directement à partir d’étoiles, et leurs masses obéissent strictement aux règles de l’instabilité de la paire. Les trous noirs de seconde génération peuvent avoir des masses entre 50 et 130 solaires, ce qui en fait un indicateur clé de l’origine hiérarchique. Ces objets possèdent également un moment angulaire élevé, hérité de leurs ancêtres. Les fusions hiérarchiques se produisent principalement dans des environnements étoilés denses, comme les globules ouverts ou les disques d’agnès actifs.
Pour leur analyse, les chercheurs se sont basés sur les données de 153 événements de fusion relevés par les détecteurs LIGO, Virgo et KAGRA. Ils ont utilisé des méthodes d’analyse bayésienne hiérarchique pour déterminer les limites de l’écart. La limite inférieure a été fixée à 44±5 masses solaires, tandis que la limite supérieure est d’environ 116±10 masses solaires. De plus, il a été constaté que les trous noirs d’une masse supérieure à 45 masses solaires tournent plus rapidement. Cela s’explique par le fait que ces objets résultent souvent de fusions et héritent ainsi le moment angulaire de leurs prédécesseurs.
Une attention particulière a été portée aux événements GW231123 et GW190521. GW231123 représente le système binaire le plus massif découvert, avec une masse totale atteignant jusqu’à 265 masses solaires. Dans ce système, un des composants pèse près de 200 masses solaires, ce qui dépasse largement la limite supérieure de l’écart, tandis que l’autre est en dessous de cette limite. Cet événement a permis de préciser la limite supérieure de l’écart. GW190521, autrefois considérée comme mystérieuse en raison de la masse anormalement élevée d’un de ses composants, est désormais interprétée comme une paire de trous noirs, l’un dépassant la limite et l’autre étant en dessous.
Ces résultats revêtent une importance considérable pour l’astrophysique. Ils confirment les prédictions théoriques concernant l’instabilité de la paire et affinent les paramètres des réactions nucléaires qui se produisent au cœur des étoiles. Par exemple, le taux de transformation du carbone en oxygène peut désormais être évalué avec une plus grande précision. Ces données sont essentielles pour mieux appréhender les processus de formation des trous noirs et pour affiner les paramètres cosmologiques, comme la constante de Hubble, qui décrit la vitesse d’expansion de l’univers.
Points à retenir
- Les trous noirs se forment non seulement par effondrement stellaire, mais aussi par des processus de fusion.
- La plage des masses de trous noirs a été établie entre 44 et 116 masses solaires.
- Les trous noirs de seconde génération sont souvent issus de fusions hiérarchiques et affichent des caractéristiques spécifiques.
- Les événements GW231123 et GW190521 sont cruciaux pour clarifier nos connaissances sur les limites de la répartition des masses.
- Ces découvertes enrichissent notre compréhension des interactions thermodynamiques au cœur des étoiles.
En tant qu’observateur passionné des mystères de l’univers, je suis toujours émerveillé par les nouvelles découvertes en astrophysique. Ces avancées nous rapprochent un peu plus de la compréhension de notre place dans l’univers. La quête pour percer les secrets des trous noirs nous pousse à nous interroger davantage sur les phases de la vie stellaire et les dynamiques cosmiques complexes qui régissent notre existence. Que nous réserve l’univers encore ? L’avenir semble prometteur et excitant !