Une fusion déséquilibrée de deux trous noirs peut avoir une histoire d'origine étrange, selon une nouvelle étude menée par des chercheurs du MIT et d'ailleurs.




La fusion a été détectée pour la première fois le 12 avril 2019 comme une onde gravitationnelle qui est arrivée aux détecteurs du LIGO (l'Observatoire des ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser) et de son homologue italien, Virgo. Les scientifiques ont qualifié le signal de GW190412 et ont déterminé qu'il émanait d'un affrontement entre deux trous noirs de David et Goliath, l'un trois fois as well as massif que l'autre. Le sign a marqué la première détection d'une fusion entre deux trous noirs de tailles très différentes.

Maintenant, la nouvelle étude, publiée aujourd'hui dans la revue Physical Evaluate Letters, montre que cette fusion déséquilibrée a pu provenir d'un processus très différent de la façon dont la plupart des fusions, ou binaires, sont censées se previous.




Il est probable que le plus massif des deux trous noirs était lui-même le produit d'une fusion antérieure entre deux trous noirs dad and mom. Le Goliath qui est sorti de cette première collision peut avoir ensuite ricoché autour d'un « amas nucléaire » densément compacté avant de fusionner avec le deuxième trou noir additionally petit – un événement rauque qui a envoyé des ondes gravitationnelles ondulant dans l'espace.

GW190412 peut alors être une fusion de deuxième génération, ou fusion « hiérarchique », se distinguant des autres fusions de première génération que LIGO et Virgo ont détectées jusqu'à présent.

« Cet événement est un événement étrange que l'univers nous a lancé – c'était quelque selected que nous n'avons pas vu venir », déclare le co-auteur de l'étude Salvatore Vitale, professeur adjoint de physique au MIT et membre du LIGO. « Mais rien ne se passe une seule fois dans l'univers. Et quelque chose comme ça, bien que scarce, nous reverrons et nous pourrons en dire moreover sur l'univers.

Les coauteurs de Vitale sont Davide Gerosa de l'Université de Birmingham et Emanuele Berti de l'Université Johns Hopkins.

Une lutte pour expliquer

On pense que les fusions de trous noirs se forment de deux manières principales. Le premier est connu comme un processus d'enveloppe commune, où deux étoiles voisines, après des milliards d'années, explosent pour previous deux trous noirs voisins qui partagent finalement une enveloppe commune, ou disque de gaz. Après quelques milliards d'années, les trous noirs s'enroulent et fusionnent.

« Vous pouvez penser à cela comme à un couple qui est ensemble toute sa vie », dit Vitale. « Ce processus est suspecté de se produire dans le disque de galaxies comme la nôtre. »

L'autre chemin commun par lequel les fusions de trous noirs se forment est by means of les interactions dynamiques. Imaginez, à la location d'un environnement monogame, une rave galactique, où des milliers de trous noirs sont entassés dans une petite région dense de l'univers. Lorsque deux trous noirs commencent à s'associer, un troisième peut séparer le pair dans une conversation dynamique qui peut se répéter plusieurs fois, avant qu'une paire de trous noirs ne fusionne finalement.

Dans le processus d'enveloppe commune et dans le scénario d'interaction dynamique, les trous noirs de fusion devraient avoir à peu près la même masse, contrairement au rapport de masse déséquilibré de GW190412. Ils devraient également avoir relativement aucun spin, tandis que GW190412 a un spin étonnamment élevé.

« En fin de compte, ces deux scénarios, que les gens pensent traditionnellement être des pépinières idéales pour les binaires des trous noirs dans l'univers, ont du mal à expliquer le rapport de masse et la rotation de cet événement », explique Vitale.

Traqueur de trou noir

Dans leur nouvel article, les chercheurs ont utilisé deux modèles pour montrer qu'il est très improbable que GW190412 provienne soit d'un processus d'enveloppe commun, soit d'une conversation dynamique.

une simulation qui accommodate les galaxies sur des milliards d'années, en commençant par la fusion du gaz et en passant par la façon dont les étoiles prennent forme et explosent, puis s'effondrent en trous noirs qui finissent par fusionner. Le deuxième modèle simule des rencontres aléatoires et dynamiques dans des amas globulaires – des concentrations denses d'étoiles autour de la plupart des galaxies.

L'équipe a exécuté les deux simulations plusieurs fois, en ajustant les paramètres et en étudiant les propriétés des fusions de trous noirs qui ont émergé. Pour les fusions qui se sont formées grâce à un processus d'enveloppe commun, une fusion comme GW190412 était très unusual, n'apparaissant qu'après quelques millions d'événements. Les interactions dynamiques étaient légèrement moreover susceptibles de produire un tel événement, après quelques milliers de fusions.

Cependant, GW190412 a été détecté par LIGO et Virgo après seulement 50 autres détections, ce qui suggère qu'il est probablement apparu par un autre processus.

« Peu importe ce que nous faisons, nous ne pouvons pas facilement produire cet événement dans ces canaux de development furthermore courants », dit Vitale.

Le processus de fusion hiérarchique peut mieux expliquer la masse déséquilibrée du GW190412 et son spin élevé. Si un trou noir était le produit d'un précédent appariement de deux trous noirs mother and father de masse similaire, il serait lui-même in addition massif que l'un ou l'autre des mother and father et éclipserait moreover tard de manière significative son partenaire de première génération, créant un rapport de masse élevé lors de la fusion finale.

Un processus hiérarchique pourrait également générer une fusion avec un spin élevé: les trous noirs mothers and fathers, dans leur fusion chaotique, feraient tourner le trou noir résultant, ce qui entraînerait alors cette rotation dans sa propre collision ultime.

« Vous faites le calcul, et il s'avère que le trou noir restant aurait une tournure qui est très proche de la rotation totale de cette fusion », explique Vitale.

Pas de fuite

Si GW190412 s'est effectivement formé par fusion hiérarchique, Vitale dit que l'événement pourrait également éclairer l'environnement dans lequel il s'est formé. L'équipe a découvert que si le in addition grand des deux trous noirs se formait à la suite d'une collision précédente, cette collision générait probablement une énorme quantité d'énergie qui non seulement faisait apparaître un nouveau trou noir, mais le projetait sur une certaine distance.

« S'il est frappé trop fort, il quitterait simplement le cluster et irait dans le milieu interstellaire vide, sans pouvoir fusionner à nouveau », explique Vitale.

Si l'objet était able de fusionner à nouveau (dans ce cas, pour produire GW190412), cela signifierait que le coup de pied qu'il a reçu n'était pas suffisant pour échapper à l'amas stellaire dans lequel il s'est formé. Si GW190412 est effectivement le produit d'une fusion hiérarchique, l'équipe a calculé que cela se serait produit dans un environnement avec une vitesse de fuite supérieure à 150 kilomètres par seconde. Pour la viewpoint, la vitesse d'échappement de la plupart des amas globulaires est d'environ 50 kilomètres par seconde.

Cela signifie que quel que soit l'environnement dans lequel GW190412 est né avait une immense attraction gravitationnelle, et l'équipe pense qu'un tel environnement aurait pu être soit le disque de gaz autour d'un trou noir supermassif, soit un « amas nucléaire » – une région incroyablement dense du univers, rempli de dizaines de hundreds of thousands d'étoiles.

« Cette fusion doit provenir d'un endroit inhabituel », dit Vitale. « Alors que LIGO et Virgo continuent de faire de nouvelles détections, nous pouvons utiliser ces découvertes pour apprendre de nouvelles choses sur l'univers. »