Le mystère de la zone interdite : ces explosions stellaires qui défient la formation des trous noirs

Le destin inattendu des astres massifs

Que se passe-t-il lorsqu’une étoile massive arrive à la fin de son existence ? La mécanique céleste apporte une conclusion précise à ce cycle : l’astre explose lors d’un événement appelé supernova. Le résultat habituel de cette fin de vie prend la forme d’un objet extrêmement dense. L’étoile devient alors soit une étoile à neutrons, soit un trou noir.

Certaines observations révèlent toutefois une dynamique différente. Les astronomes recensent des supernovae d’une telle énergie qu’elles ne laissent absolument rien derrière elles, pas même la trace d’un trou noir. Ce processus d’anéantissement total constitue un domaine de recherche actif pour la communauté astrophysique.

Aujourd’hui, les recherches portant sur les ondes gravitationnelles fournissent des preuves intrigantes quant à l’existence de ces explosions spécifiques. Ces données inédites permettent aux chercheurs d’analyser en profondeur les mécanismes ultimes de la fin de vie stellaire.

La mécanique de l’instabilité de paires

Ces événements particuliers sont connus sous le nom de supernovae à instabilité de paires. Pour comprendre leur déclenchement, il est nécessaire d’observer le cœur de l’étoile. Toute supernova se produit lorsque la fusion nucléaire, qui anime le noyau d’une étoile massive, s’arrête. Ce processus de fusion génère des éléments de plus en plus lourds et libère de l’énergie, jusqu’à un certain point physique.

Il est en effet impossible de fusionner des atomes de fer pour en extraire de l’énergie. Dès que le cœur de l’étoile atteint ce stade ferreux, la production d’énergie s’interrompt. Sans cette force pour repousser les couches externes de l’étoile vers l’extérieur, la gravité commence à attirer toute la matière vers le centre. L’étoile s’effondre sur elle-même.

Cet effondrement génère des quantités massives d’énergie et comprime généralement le noyau pour former les objets extrêmement denses mentionnés précédemment. Dans le cas des supernovae à instabilité de paires, l’effondrement engendre de nombreuses collisions nucléaires et la création de paires de matière et d’antimatière : des électrons et leur équivalent en antimatière, les positrons. Dès que l’antimatière interagit avec la matière, elle se transforme en énergie pure. Cette énergie supplémentaire ralentit l’effondrement de l’étoile juste assez pour stopper la formation d’un trou noir. L’ensemble de la structure est alors pulvérisé. Il reste difficile de confirmer la nature exacte de ces supernovae à instabilité de paires, car leur apparence globale ressemble à celle des autres supernovae.

Les critères de masse et la zone interdite

Toutes les étoiles massives en fin de vie ne sont pas en mesure de réunir ces conditions. Ce phénomène requiert des paramètres stricts. Seules les étoiles qui sont initialement pauvres en éléments lourds et qui possèdent une masse comprise entre 130 et 250 fois celle de notre Soleil peuvent devenir des supernovae à instabilité de paires.

Les propriétés inhérentes à ces événements indiquent qu’il devrait exister une gamme de masse de trous noirs de taille stellaire dite « interdite ». Cette qualification signifie que les trous noirs situés dans cette plage de masse ne peuvent pas se former directement à partir de l’explosion d’une étoile.

Cette plage spécifique se situe entre 50 et 130 masses solaires. Puisqu’il n’est pas possible d’étudier les trous noirs à l’aide de la lumière, les scientifiques mesurent leurs propriétés lorsqu’une paire de ces objets entre en collision. Ils utilisent le signal des ondes gravitationnelles pour estimer la masse des trous noirs d’origine, identifiés sous les appellations m1 et m2, ainsi que la masse globale résultant de leur union.

Les mesures de la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA

Dans ce cadre de mesure, la convention dicte que m2 représente toujours le plus petit élément de la paire. Les données recueillies lors de la quatrième campagne d’observation de la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA montrent que la gamme de m2 présente un point de coupure situé à environ 44 fois la masse du Soleil, avec une marge d’incertitude d’environ cinq masses solaires.

Cette zone interdite n’est cependant pas présente dans la distribution de m1. L’équipe de recherche avance une explication à cette différence structurelle. Les composants primaires ont tendance à tourner plus rapidement, ce qui indique qu’ils pourraient avoir déjà connu une fusion, une caractéristique qui a déjà été relevée dans un récent signal d’ondes gravitationnelles.

Hui Tong, candidat au doctorat à l’Université Monash et responsable du projet, détaille ce mécanisme dans un communiqué officiel : « L’observation est bien expliquée par l’instabilité de paires ; il n’y a pas de trous noirs d’origine stellaire dans la zone interdite car les étoiles subissent des supernovae à instabilité de paires. Les seuls trous noirs dans cette gamme de masse sont formés par la fusion de trous noirs plus petits, plutôt que directement à partir d’étoiles, » précise-t-il.

Croissance par fusions successives

Les travaux menés par l’équipe de recherche suggèrent que les trous noirs stellaires possédant ces masses comprises entre 50 et 130 fois celle du Soleil sont rares. Cette rareté s’explique par le fait qu’ils ne peuvent pas être produits par des étoiles en fin de vie ; ils sont uniquement le produit de collisions directes entre des trous noirs préexistants.

La professeure Maya Fishbach, co-autrice de ces travaux, apporte des précisions sur les implications de ces données observationnelles : « Nous voyons des preuves indirectes de l’une des explosions les plus titanesques du cosmos : les supernovae à instabilité de paires. En même temps, nous découvrons qu’une fois nés, les trous noirs peuvent croître via des fusions répétées, » conclut-elle.

Les résultats complets de cette étude s’appuyant sur les données gravitationnelles sont officiellement publiés dans les pages de la revue scientifique Nature.

Selon la source : iflscience.com