La fusion de deux trous noirs totalisant 100 masses solaires fait onduler l’espace-temps et pourrait produire un éclair de rayons gamma

Quand le silence des trous noirs se brise

L’espace a ses habitudes. La fusion de deux trous noirs, par exemple, est un événement cataclysmique mais silencieux sur le plan lumineux, un drame cosmique que l’on ne peut qu' »entendre » grâce aux ondes gravitationnelles. Mais en novembre 2024, les règles semblaient avoir changé. Les observatoires LIGO-Virgo-KAGRA ont capté les frémissements de l’espace-temps issus d’une telle fusion, un événement baptisé S241125n.

La surprise est venue quelques secondes plus tard. Des satellites ont détecté un bref sursaut de rayons gamma (GRB), une explosion de lumière de haute énergie, provenant précisément de la même région du ciel. C’était inattendu, presque impossible selon les théories classiques. Une équipe internationale de scientifiques chinois et italiens s’est alors penchée sur ce qui pourrait être une nouvelle page de l’astronomie, une suite à la découverte historique de 2017 qui avait pour la première fois associé ondes gravitationnelles et signal lumineux.

Normalement, les fusions de trous noirs binaires ne devraient pas produire de contreparties électromagnétiques. L’événement S241125n pourrait donc être un cas rarissime d’onde gravitationnelle associée à un sursaut gamma sur plusieurs longueurs d’onde. Une nouvelle ère pour l’astronomie multi-messagers s’ouvrirait alors.

Un alignement trop parfait pour être un hasard ?

Les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans la trame de l’espace-temps, générées par les événements les plus violents de l’univers. On pensait jusqu’ici que les collisions de trous noirs étaient « sombres » pour nos télescopes, n’émettant aucune lumière. L’événement S241125n vient peut-être de prouver le contraire. Environ 11 secondes après le signal gravitationnel, l’observatoire Swift de la NASA a repéré un court sursaut gamma dans le même secteur. Peu après, le nouveau satellite chinois Einstein Probe a confirmé la présence d’une rémanence en rayons X dans cette zone.

Pour les scientifiques, la probabilité d’une simple coïncidence semble faible. L’analyse conjointe de l’équipe, publiée dans The Astrophysical Journal, estime le taux de fausse alerte combiné à environ un événement de ce type tous les 30 ans d’observation. L’association n’est pas encore considérée comme définitive et exigera des suivis, mais le résultat est statistiquement fascinant.

Les chercheurs expliquent leur démarche avec prudence : « Cette estimation est délibérément conservatrice, et la probabilité réelle d’un alignement fortuit pourrait être encore plus faible. Cependant, dans l’intérêt de la rigueur scientifique, nous ne pouvons pas encore tirer de conclusion définitive. Quoi qu’il en soit, il s’agit clairement d’un événement très intriguant. »

Un cataclysme aux proportions inhabituelles

Ce qui rend S241125n encore plus remarquable, ce sont ses caractéristiques physiques. D’abord, sa distance : les ondes gravitationnelles ont voyagé pendant environ 4,2 milliards d’années-lumière pour nous atteindre (ce qui correspond à un décalage vers le rouge, ou redshift, de z ≈ 0,73). La collision s’est donc produite lorsque l’univers était bien plus jeune. Ensuite, la masse des protagonistes : l’analyse suggère que la paire de trous noirs fusionnant avait une masse combinée bien supérieure à 100 fois celle de notre Soleil.

Cela place cet événement parmi les fusions de trous noirs de masse stellaire les plus lourdes jamais enregistrées. À titre de comparaison, la plupart des fusions observées par LIGO impliquent des masses totales de quelques dizaines de masses solaires. Une telle fusion massive est rare et suggère que chaque trou noir pourrait lui-même être le produit de fusions antérieures ou de processus de formation exotiques.

Fait intéressant, si l’énergie totale, la luminosité et la durée de la source lumineuse sont similaires à celles d’un sursaut gamma court typique, son spectre lumineux, lui, est différent. Les indices de photons de l’émission initiale sont plus « doux » (moins énergétiques) que la normale, tandis que ceux de la rémanence sont plus « durs ». Cela pourrait impliquer un mécanisme de rayonnement particulier ou un effet de propagation différent.

Le cœur d’une galaxie comme scène du drame

Comment une fusion de trous noirs a-t-elle pu produire un flash de lumière ? L’équipe de recherche, menée par des scientifiques de Chine (Université de science et de technologie de Chine, Observatoire astronomique de Shanghai et Université de Ningbo) et d’Italie (Réseau du Centre international d’astrophysique relativiste, Institut national italien d’astrophysique et Université de Ferrare), propose une explication audacieuse. La collision aurait eu lieu au sein du disque de gaz et de poussière dense qui entoure un trou noir supermassif, au centre d’une galaxie. C’est ce qu’on appelle un noyau galactique actif (AGN).

Dans ces cœurs galactiques animés, d’énormes quantités de matière créent un environnement naturellement riche en « carburant ». Si une paire de trous noirs s’y retrouve, leur fusion ne se produit pas dans le vide, mais au milieu d’une épaisse soupe de matière. Selon le modèle de l’équipe, au moment de la fusion, le nouveau trou noir a reçu une puissante impulsion, une « poussée » due à l’émission asymétrique des ondes gravitationnelles.

Projeté à travers le gaz environnant, ce trou noir s’est mis à engloutir la matière sur son passage à un rythme effréné, dit « hyper-Eddington », bien au-delà de la limite normale. Cet intense processus d’accrétion dans un environnement magnétisé aurait déclenché de puissants jets relativistes, des faisceaux de particules et de rayonnement propulsés à une vitesse proche de celle de la lumière. En traversant le disque de l’AGN, ce jet a généré des ondes de choc, piégeant initialement son énergie et chauffant le gaz comme dans un autocuiseur à photons. Lorsque le jet a finalement percé la surface du disque, ces photons se sont échappés, produisant un sursaut de rayonnement de haute énergie, un phénomène de « shock breakout ». Ce modèle explique parfaitement le spectre gamma « doux » et thermalisé observé par Swift.

Une nouvelle fenêtre sur l’univers

Si l’association entre l’onde gravitationnelle et le sursaut gamma est confirmée, elle inaugurera une nouvelle façon d’étudier les fusions de trous noirs, à la fois avec nos « oreilles » et nos « yeux ». Jusqu’à présent, ces événements n’étaient qu' »entendus ». S241125n suggère que dans des conditions particulières, ils peuvent aussi être « vus ». Cela offrirait des opportunités inédites pour étudier l’environnement autour des trous noirs en fusion et la physique de la formation des jets en milieu dense.

Cet événement met également en lumière l’importance de la collaboration multi-messagers : les détecteurs d’ondes gravitationnelles ont capté le « son » de la fusion, les télescopes gamma et X ont vu son « flash », et ensemble, ils racontent une histoire bien plus complète. Une telle mesure double pourrait même affiner nos estimations de l’expansion cosmique en utilisant l’événement comme une « sirène standard », dont on connaît la distance, couplée au redshift de sa galaxie hôte.

Pour la suite, les auteurs suggèrent de rechercher des signatures spécifiques dans le signal gravitationnel, comme une excentricité orbitale résiduelle typique de l’environnement dynamique d’un AGN. Ils préconisent également des observations profondes de la région pour identifier la galaxie hôte. Sept ans après la première observation d’une onde gravitationnelle accompagnée de lumière, cet événement, situé à mi-chemin de l’univers observable et impliquant des trous noirs de plus de 100 masses solaires, pourrait bien être le prochain grand jalon de l’astronomie multi-messagers.

Selon la source : phys.org