Des astronomes détectent trois sous-populations de trous noirs en fusion

Une nouvelle classification spatiale inédite

L’étude des ondes gravitationnelles ouvre de nouvelles perspectives matérielles pour l’observation spatiale. Les astronomes analysant les données de la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA ont rapporté que les fusions de trous noirs binaires se divisent en trois catégories distinctes. Loin de former une famille cosmique unique, ces phénomènes se répartissent en sous-populations spécifiques.

L’article détaillant ces résultats a été soumis au serveur de prépublication arXiv le 18 mars. L’étude démontre que ces trois sous-populations possèdent des masses caractéristiques, un comportement de spin propre et un taux de fusion qui leur est particulier.

L’ensemble de ces variations physiques indique des origines temporelles et spatiales divergentes. Les chercheurs soulignent que ces particularités pourraient être liées à des mécanismes de formation dominants différents pour chaque groupe d’objets célestes observés.

Les indices précis du catalogue GWTC-4

L’équipe scientifique a scruté une large base de données pour asseoir son analyse. Elle a examiné les informations du quatrième catalogue d’ondes gravitationnelles, nommé GWTC-4, publié par la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA. Ce répertoire impressionnant comprend plus de 150 fusions de trous noirs détectées.

L’analyse de cet ensemble a révélé que la population globale de ces objets en fusion n’avait probablement pas les mêmes origines. En observant comment les masses des trous noirs se répartissent, les spécialistes ont remarqué des pics proéminents autour de 10 masses solaires et de 35 masses solaires. Des caractéristiques similaires ont été vues dans le comportement des rapports de masse et des spins des systèmes, avec des changements notables situés autour de 20 et 40 masses solaires.

Si un même processus guidait toutes ces fusions, la communauté scientifique s’attendrait à une distribution plus lisse. Ces caractéristiques suggèrent que des canaux de formation multiples pourraient produire ces fusions. Pour reproduire les traits observés de la population globale, les chercheurs ont simulé des propriétés clés, comme les masses, le comportement de spin et les taux de fusion. Ils ont découvert que le tout s’explique au mieux par un mélange de trois groupes distincts de binaires, reliant ensuite les valeurs des paramètres de chaque groupe aux prédictions théoriques pour identifier la voie de formation la plus probable.

Le premier groupe : le modèle de l’évolution binaire isolée

Une majeure partie des événements répertoriés entre dans une première catégorie de classification. Ce premier groupe représente 79 % de la population globale détectée et affiche un pic net localisé autour de 10 masses solaires.

Ces trous noirs de faible masse sont des systèmes tournant lentement sur eux-mêmes, avec très peu d’oscillations. Leurs spins s’avèrent également parfaitement alignés avec l’orbite du système binaire.

Toutes ces caractéristiques pointent vers le fait que ces trous noirs binaires proviennent vraisemblablement d’une évolution binaire isolée. Autrement dit, deux étoiles nées sous forme de paire évoluent, échangent de la masse et s’effondrent en trous noirs qui fusionnent, le tout se déroulant sans influence externe.

Le deuxième groupe : l’influence des environnements encombrés

Le deuxième groupe identifié rassemble près de 14,5 % de toutes les binaires détectées. C’est cette sous-population spécifique qui explique la caractéristique proéminente observée autour de 35 masses solaires dans les données des astrophysiciens.

L’équipe a trouvé que ces binaires possèdent des trous noirs de masses presque égales. Les systèmes présentent des fractions égales de spins de trous noirs alignés et désalignés par rapport à l’orbite, accompagnés d’oscillations plus importantes comparées au premier groupe. Ces trous noirs de masse intermédiaire montrent ainsi les signes d’une origine plus chaotique comparés à la première catégorie.

Les chercheurs suggèrent que ces binaires se sont probablement formées dans un environnement encombré, comme un amas globulaire. Ils indiquent qu’une paire de trous noirs influencée par un troisième objet distant pourrait de même produire ces trous noirs binaires particuliers.

Le troisième groupe : les géants des fusions hiérarchiques

La troisième population abordée par l’étude ne constitue que 2,5 % de la population globale étudiée. Elle se situe directement à l’extrémité supérieure de la distribution des masses relevées.

Ces systèmes massifs présentent des trous noirs de masse inégale. Ils dévoilent un comportement de spin extrêmement complexe, lequel se trouve marqué par des oscillations très notables lors des relevés de détection.

Les scientifiques supposent que ces systèmes de très grande taille se sont formés par le biais de fusions hiérarchiques. Dans ce type de scénario, au moins l’un des trous noirs impliqués est directement le résidu d’une fusion antérieure.

Des perspectives de recherche à consolider

Les chercheurs notent que ces différents canaux de formation sont ceux qui ont probablement dominé chaque sous-population. Ils précisent néanmoins avec objectivité que d’autres processus peuvent être simultanément à l’œuvre au cœur de ces systèmes complexes.

Les auteurs de l’étude formulent cette observation avec précision dans leur publication datée du 18 mars. « Bien que ces conclusions soient raisonnablement robustes, l’association directe des sous-populations à des canaux uniques reste insaisissable », écrivent-ils dans leur article.

Comment ces recherches sur le cosmos vont-elles évoluer à court terme ? Les astronomes prévoient de s’appuyer sur les prochaines publications de données de la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA afin de produire des résultats plus concluants sur la façon dont se forment ces différentes populations de trous noirs en fusion.

Selon la source : phys.org