« En cherchant l’œil de Dieu, je n’ai vu qu’une orbite / Vaste, noir et sans fond, d’où la nuit qui l’habite / Rayonne sur le monde et s’épaissit toujours ; / Un arc-en-ciel étrange entoure ce puits sombre, / Seuil de l’ancien chaos dont le néant est l’ombre, / Spirale engloutissant les Mondes et les Jours ! » Cette strophe intrigante du poète Gérard de Nerval dans son oeuvre Le Christ aux Oliviers (1844) évoquait de manière visionnaire et indirecte le concept de trou noir supermassif, et ce bien avant la première image dévoilée d’un tel astre dans la galaxie M87 en 2019. Les trous noirs, sortes de Gargantuas cosmiques, demeurent des objets très actifs. Ils alimentent le milieu interstellaire en absorbant du gaz et de la matière au sein d’un disque d’accrétion. En retour, le gaz chaud de cette région circulaire produit des photons, formant un anneau de lumière.
Il y a cependant deux catégories de trous noirs à distinguer. Ceux dits « stellaires », issus de l’effondrement des étoiles les plus massives (celles pesant au moins 25 fois le Soleil) et les fameux « supermassifs », trônant au centre de la plupart des galaxies, mais dont l’origine reste inconnue.
La découverte des ondes gravitationnelles en 2015 par la collaboration LIGO ( acronyme de Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) – consistant en deux détecteurs situés aux Etats-Unis – a confirmé que deux trous noirs stellaires peuvent se percurter et fusionner. Une telle fusion fournit des informations importantes comme la masse et la vitesse de rotation (via le spin) du trou noir crée à partir des ondes gravitationnelles engendrées, des perturbations déformant le tissu même de l’espace-temps.
Une étude d’un vaste consortium d’universités publiée dans Classical and Quantum Gravity passe en revue toutes les connaissances fondamentales sur l’étude des fusions de trous noirs et les perspectives prometteuses quant à l’élaboration d’une nouvelle Physique. L’objectif est de pouvoir décrire la gravitation à l’échelle microscopique.
Ce que révèlent les vibrations gravitationnelles
Les trous noirs en rotation, ceux dits de « Kerr », en référence au mathématicien néo-zélandais Roy Kerr les ayant décrits en 1963, constituent une des nombreuses prédictions de la théorie de la relativité générale, publiée en 1915 par Albert Einstein. Ce sont typiquement ces « cadavres stellaires » qui collisionnent, fusionnent et forment les ondes gravitationnelles durant la dernière phase, celle de la « relaxation ». On dit alors que le trou noir « sonne », car il émet des vibrations gravitationnelles ondulatoires appelées « modes quasi-normaux ». La mesure des fréquences des ondes gravitationnelles permet ainsi d’estimer les paramètres du trou noir engendrés par la fusion tels que sa masse et son spin.
L’étude indique en outre que l’étude des fusions de trous noirs met en évidence les effets des champs gravitationnels intenses générés par de tels astres. Cela inclut des phénomènes comme des oscillations rémanentes dans les données de Ligo – similaires aux notes harmoniques produites par des instruments musicaux – ou des interactions mutuelles des vibrations.
Vidéo de visualisation de la fusion de deux trous noirs (horizon des événements indiqués comme des sphères noires) de masses identiques. Les astres sombres spiralent l’un autour de l’autre jusqu’à fusionner. Des ondulations (en orange) déforment la courbure de l’espace-temps, se propagent et s’atténuent pour devenir ainsi des ondes gravitationnelles (en violet). Crédit : NASA/Bernard J. Kelly (Goddard and Univ. of Maryland Baltimore County), Chris Henze (Ames) et Tim Sandstrom (CSC Government Solutions LLC).
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Décrire les fusions de trous noirs au-delà du Modèle standard
« En écoutant la résonance des trous noirs nouvellement formés, les ondes gravitationnelles deviennent un outil indispensable pour résoudre les plus grands mystères de la physique, allant de la nature de la gravité à la découverte de formes exotiques de la matière et de l’énergie », explique Gregorio Carullo, astronome à l’université de Birmingham et coauteur de l’étude compilatoire, dans un communiqué.
La triple collaboration LIGO-Virgo (Italie)-KAGRA (Japon) a détecté des centaines d’événements de fusions entre trous noirs et a mesuré le tintement de dizaines d’entre eux depuis 2015, en accord avec les prédictions de la relativité générale.
Bien que ces observations soient toutes compatibles avec les résultats de la théorie relativiste d’Einstein, l’étude préconise de sonder plus en profondeur les vibrations gravitationnelles durant la « relaxation » du trou noir post-fusion pour dénicher des propriétés inconnues de la physique classique. Cela implique donc de dépasser le Modèle standard de la physique des particules en analysant la nature de la matière noire ou les effets quantiques à l’oeuvre près de l’horizon des trous noirs, sorte de frontière à partir de laquelle aucun rayonnement ne peut s’échapper à cause de l’attraction gravitationnelle du reste stellaire.
L’émergence d’instruments de pointe comme l’interféromètre spatial Lisa (Laser Interferometer Space Antenna) ou le télescope souterrain Einstein, prévus respectivement pour 2037 et 2035, permettront de détecter davantage d’événements de fusion de trous noirs et de mieux décrypter les résonances gravitationnelles associées. « Etant donné que les détecteurs d’ondes gravitationnelles seront plus sensibles aux perturbations, la spectroscopie des trous noirs va transformer ces objets mystérieux en véritables laboratoires à phénomènes extrêmes et dévoiler ces derniers au sein d’un nouveau cadre de la physique », conclut Gregorio Carullo.
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