La croissance des trous noirs est-elle liée à l'expansion de l'Univers ?

Un trou noir est un corps céleste tellement compact que l'intensité de son champ gravitationnel empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s'en échapper : ainsi, ces objets ne peuvent émettre ou diffuser de lumière, les rendant optiquement invisibles. Les trous noirs ne sont donc détectables que par les effets de leurs champs gravitationnels, mais en 2015, l'observation « directe » de trou noir a été réalisée grâce à la première observation directe d'ondes gravitationnellesondes gravitationnelles.

Les ondes gravitationnelles, dont l'existence a été prédite par Albert EinsteinEinstein en 1916, et confirmée 100 ans plus tard, sont des oscillations de la courbure de l’espace-temps qui se propagent à partir de leur point d'origine. Ce type de courbure peut survenir lors du déplacement d'objets très massifs dans l'espace, produisant une perturbation de l'espace-temps qui s'étendrait de manière analogue à des vaguesvagues à la surface de l'eau. C'est grâce à l'Observatoire d'ondes gravitationnelles par interférométrie laser (Ligo) que la première observation directe d'ondes gravitationnelles est réalisée en 2015, et confirmée en 2016. 

Représentation des ondes gravitationnelles produites par la fusion de deux trous noirs. © Nasa

La taille des trous noirs observés dépasse les prévisions

Depuis la première observation de coalescencecoalescence (fusionfusion) de trous noirs en 2015 par LigoLigo, les astronomesastronomes ont été à plusieurs reprises surpris par leurs grandes massesmasses : les physiciensphysiciens s'attendaient à l'origine à ce que les trous noirs stellairestrous noirs stellaires aient des masses inférieures à environ 40 fois celle du SoleilSoleil, mais l'observatoire Ligo a cependant détecté de nombreux trous noirs parfois aussi massifs que 100 soleils. De nombreux scénarios ont été proposés pour expliquer la formation de trous noirs aussi massifs, mais aucun n'a été en mesure d'expliquer la grande diversité des masses des trous noirs observés. Cette nouvelle étude, menée par une équipe regroupant des chercheurs de l'université d'Hawaï, de l'université de Chicago et de l'université du Michigan, est la première à suggérer que la formation de trous noirs de faibles ou fortes masses puisse résulter d'un seul phénomène, dans lequel les trous noirs gagneraient de la masse à partir de l'expansion de l'UniversUnivers.

Habituellement, les astronomes modélisent les trous noirs dans un Univers sans expansion : c'est une supposition raisonnable qui permet une bonne simplification de l'équationéquation d'Einstein. Mais pour étudier leur hypothèse, les astronomes de l'étude ont pris en compte l'expansion de l'Univers au cours du temps. Dans son nouveau modèle, l'équipe de chercheurs a simulé la naissance, la vie et la mort de millions de paires de grandes étoiles. Au moment où les étoilesétoiles meurent pour former des trous noirs, la paire est liée à la taille de l'Univers : entre la formation de trous noirs et leur fusion éventuelle, l'Univers pourrait grandir énormément. Dans leur modèle, à mesure que l'Univers continuait de croître, les chercheurs ont observé que la masse de ces trous noirs augmentait au fur et à mesure qu'ils spiralaient l'un vers l'autre. Il en résulte alors non seulement des trous noirs plus massifs lors de la fusion, mais également un nombre de fusions bien plus important. La comparaison entre leurs prédictions et les observations Ligo semble de plus satisfaisante.  

Cette visualisation montre les ondes gravitationnelles émises par deux trous noirs de masse presque égale alors qu’ils tournent en spirale et fusionnent. © Nasa

Michael Zevin, coauteur de la recherche, tient tout de même à souligner que ce modèle est encore à prendre avec précautions : « Bien que nous ayons utilisé une population stellaire simulée qui reflète les données que nous avons actuellement, il y a beaucoup de marge de manœuvre. » À mesure que les observatoires d'ondes gravitationnelles gagneront en sensibilité, la quantité et la qualité accrues des données recueillies pourront permettre une étude plus approfondie de cette hypothèse.