Les astronomes s’interrogent depuis longtemps sur un événement d’onde gravitationnelle inhabituel détecté en 2023 – une collision entre deux trous noirs qui a défié les idées reçues sur la formation d’objets aussi massifs et en rotation rapide. Le mystère est désormais résolu grâce à des simulations informatiques sophistiquées qui révèlent le rôle crucial des champs magnétiques dans la formation de ces monstres cosmiques.
En novembre 2023, des détecteurs terrestres comme LIGO, Virgo et KAGRA ont capturé des ondulations dans l’espace-temps appelées ondes gravitationnelles. Ce signal, désigné GW231123, pointait vers une collision de deux trous noirs situés à environ 7 milliards d’années-lumière. Mais les caractéristiques de ces trous noirs ont déconcerté les astronomes : chacun avait des masses environ 100 et 140 fois supérieures à celles de notre soleil et tournaient à des vitesses proches de la lumière.
Le problème ? Les théories actuelles suggèrent que les étoiles suffisamment massives pour s’effondrer en trous noirs avec des masses aussi extraordinaires devraient exploser sous forme de « supernovae à instabilité de paire ». Ces événements cataclysmiques sont si puissants qu’ils ne laissent rien derrière eux, pas même un trou noir. En conséquence, les scientifiques ne s’attendaient pas à ce que des trous noirs se forment dans une plage de masse comprise entre environ 70 et 140 fois la masse du soleil.
Bien que des trous noirs peuvent exister au sein de cet « écart de masse » après la fusion de trous noirs plus petits existants, cela n’était pas probable dans ce cas. Les fusions perturbent la rotation d’un trou noir, mais les objets en collision dans GW231123 tournaient incroyablement vite, à leur vitesse de rotation maximale théorique. Cela signifiait que quelque chose d’entièrement autre devait être en jeu.
Une équipe dirigée par l’astrophysicien Ore Gottlieb du Centre d’astrophysique computationnelle (CCA) du Flatiron Institute a relevé le défi en exécutant des simulations informatiques complexes de l’évolution stellaire et des supernovae. Leur idée clé ? Le rôle des champs magnétiques dans les derniers instants d’une étoile.
Les champs magnétiques réécrivent le script
Les études précédentes ont souvent négligé les champs magnétiques dans ces scénarios extrêmes. Gottlieb et son équipe les ont incorporés dans leurs modèles, révélant une tournure fascinante : les champs magnétiques peuvent influencer de manière significative le comportement des restes de matière stellaire après une supernova.
Ils ont simulé la mort d’une étoile massive ayant environ 250 fois la masse du soleil, la regardant perdre la majeure partie de sa masse avant de s’effondrer pour former un trou noir. Ensuite, dans une simulation plus complexe, ils ont pris en compte les champs magnétiques tourbillonnants présents dans le nuage de débris en expansion entourant le trou noir nouvellement formé.
“Nous avons découvert que ces champs magnétiques peuvent repousser une partie de ces restes de matière presque à la vitesse de la lumière”, a expliqué Gottlieb. Plus l’étoile tournait vite et plus les champs magnétiques étaient forts, plus la matière pouvait être expulsée efficacement.
Ce processus d’expulsion réduit efficacement la masse transférée vers le trou noir. Cela signifie que même une étoile progénitrice massive pourrait laisser derrière elle un trou noir relativement plus petit dans l’espace de masse interdit. Les simulations ont montré que dans certaines conditions, la moitié de la masse stellaire initiale pouvait être emportée !
Une nouvelle ère dans la compréhension des trous noirs
Cette découverte a des implications considérables sur la façon dont nous comprenons la formation et l’évolution des trous noirs. Il suggère :
- Un lien entre la masse, le spin et le magnétisme : Des champs magnétiques plus forts pourraient conduire à des trous noirs à rotation plus légère et plus lente, tandis que des champs plus faibles pourraient produire des trous plus massifs et à rotation rapide. Cette connexion ouvre de nouvelles pistes d’investigation.
- Tests via des sursauts de rayons gamma : Les simulations prédisent que la formation de ces trous noirs à espacement de masse devrait s’accompagner d’un sursaut de rayons gamma, une lumière à haute énergie détectable sur Terre. La détection d’une telle explosion fournirait des preuves puissantes à l’appui de ce modèle.
Le mystère de GW231123 a été résolu, mais il soulève des questions encore plus intrigantes sur l’interaction complexe entre les champs magnétiques et la gravité dans les derniers moments dramatiques des étoiles massives. Il met en évidence comment des événements apparemment « impossibles » peuvent dévoiler des vérités surprenantes sur les objets les plus énigmatiques de l’univers.
