Des chercheurs de Périmètre testent la nature des fusions de trous noirs

Waterloo, ON – 28 octobre 2025 – Deux fusions de trous noirs cosmiques lointains, mesurées à seulement un mois d'intervalle à la fin de 2024, permettent aux scientifiques de mieux comprendre la nature et l'évolution des collisions les plus violentes de l'espace lointain dans notre univers. Les données recueillies lors de ces fusions confirment également, avec une précision sans précédent, les lois fondamentales de la physique prédites il y a plus de 100 ans par Albert Einstein et font progresser la recherche de nouvelles particules élémentaires encore inconnues qui pourraient permettre d'extraire de l'énergie des trous noirs.

Dans un nouvel article publié le 28 octobre dans The Astrophysical Journal Letters, la collaboration internationale LIGO-Virgo-KAGRA rapporte la détection, en octobre et novembre derniers, de deux événements gravitationnels associés à des trous noirs présentant des rotations inhabituelles.

Les ondes gravitationnelles sont des « ondulations » dans l'espace-temps qui résultent d'événements cataclysmiques dans l'espace lointain, les ondes les plus fortes étant produites par la collision de trous noirs. La première fusion décrite dans cet article, GW241011 (11 octobre 2024), s'est produite à environ 700 millions d'années-lumière et résulte de la collision de deux trous noirs dont la masse est respectivement environ 20 et 6 fois supérieure à celle de notre soleil. Le plus grand des trous noirs de GW241011 a été mesuré comme étant l'un des trous noirs en rotation la plus rapide observés à ce jour.

Près d'un mois plus tard, GW241110 (10 novembre 2024) a été détecté à environ 2,4 milliards d'annéeslumière et impliquait la fusion de trous noirs d'une masse équivalente à environ 17 et 8 fois celle de notre soleil. Alors que la plupart des trous noirs observés tournent dans le même sens que leur orbite, le trou noir principal de GW241110 tournait dans le sens opposé à son orbite, ce qui est une première.

« Chaque nouvelle détection apporte des informations importantes sur l'univers, nous rappelant que chaque fusion observée est à la fois une découverte astrophysique, mais aussi un laboratoire inestimable pour explorer les lois fondamentales de la physique », explique Carl-Johan Haster, coauteur de l'article et professeur adjoint d'astrophysique à l'université du Nevada à Las Vegas (UNLV). « Des observations antérieures avaient permis de prédire l'existence de binaires comme celles-ci, mais c'est la première preuve directe de leur existence. »

Découvrir les propriétés cachées des fusions de trous noirs 

Le phénomène des ondes gravitationnelles a été prédit pour la première fois par Albert Einstein dans le cadre de sa théorie générale de la relativité en 1916, mais leur existence, bien que prouvée dans les années 1970, n'a été directement observée par les scientifiques qu'il y a tout juste 10 ans, lorsque l'observatoire LIGO a confirmé la détection de ces ondes provenant de la fusion de deux trous noirs. 

Aujourd'hui, LIGO-Virgo-KAGRA est un réseau mondial de détecteurs avancés d'ondes gravitationnelles qui en est à sa quatrième campagne d'observation, nommée O4. La campagne actuelle a débuté fin mai 2023 et devrait se poursuivre jusqu'à la mi-novembre de cette année. À ce jour, environ 300 fusions de trous noirs ont été observées grâce aux ondes gravitationnelles, y compris les candidats identifiés dans le cadre de la campagne O4 en cours.

Conjointement, la détection des ondes GW241011 et GW241110 met en évidence les progrès remarquables réalisés par l'astronomie des ondes gravitationnelles dans la découverte des propriétés des trous noirs en fusion. Il est intéressant de noter que les deux fusions détectées indiquent la possibilité de trous noirs de « deuxième génération ».

« GW241011 et GW241110 comptent parmi les événements les plus inédits parmi les plusieurs centaines que le réseau LIGO-Virgo-KAGRA a observés », explique Stephen Fairhurst, professeur à l'université de Cardiff et porte-parole de la collaboration scientifique LIGO. « Ces deux événements, qui impliquent chacun un trou noir nettement plus massif que l'autre et tournant rapidement sur lui-même, fournissent des preuves fascinantes que ces trous noirs se sont formés à partir de fusions antérieures de trous noirs. »

Les scientifiques soulignent certains indices, notamment la différence de taille entre les trous noirs lors de chaque fusion (le plus grand était presque deux fois plus grand que le plus petit) et l'orientation de la rotation du plus grand des trous noirs lors de chaque événement. Une explication naturelle de ces particularités est que les trous noirs sont le résultat de fusions antérieures. Ce processus, appelé fusion hiérarchique, suggère que ces systèmes se sont formés dans des environnements denses, dans des régions telles que les amas stellaires, où les trous noirs sont plus susceptibles de se rencontrer et de fusionner à plusieurs reprises.

« Ces deux fusions de trous noirs binaires nous offrent certaines des perspectives les plus passionnantes à ce jour sur les débuts de l'existence des trous noirs », a déclaré Thomas Callister, coauteur et professeur adjoint au Williams College. « Elles nous apprennent que certains trous noirs n'existent pas seulement en tant que partenaires isolés, mais probablement en tant que membres d'une population dense et dynamique. À l'avenir, nous espérons que ces événements et d'autres observations nous en apprendront davantage sur les environnements astrophysiques qui abritent ces populations. »

Implications pour la physique fondamentale 

La précision avec laquelle GW241011 a été mesuré a également permis de tester les prédictions clés de la théorie de la relativité générale d'Einstein dans des conditions extrêmes. 

Puisque GW241011 a été détecté si clairement, il peut être comparé aux prédictions de la théorie d'Einstein et à la solution du mathématicien Roy Kerr pour les trous noirs en rotation. La rotation rapide du trou noir le déforme légèrement, laissant une empreinte caractéristique dans les ondes gravitationnelles qu'il émet. En analysant GW241011, l'équipe de recherche a trouvé une excellente concordance avec la solution de Kerr et a vérifié la prédiction d'Einstein avec une précision sans précédent. 

De plus, comme les masses des trous noirs individuels diffèrent considérablement, le signal d'onde gravitationnelle contient le « bourdonnement » d'une harmonique supérieure, similaire aux harmoniques des instruments de musique, observé pour la troisième fois seulement dans GW241011. L'une de ces harmoniques a été observée avec une clarté exceptionnelle et confirme une autre prédiction de la théorie d'Einstein. 

« La puissance de GW241011, combinée aux propriétés extrêmes de ses composants de trou noir, offre un moyen sans précédent de tester notre compréhension des trous noirs eux-mêmes », explique Haster. « Nous savons maintenant que les trous noirs ont la forme prédite par Einstein et Kerr, et la relativité générale peut ajouter deux nouvelles cases cochées à sa liste de nombreux succès. Cette découverte signifie également que nous sommes plus sensibles que jamais à toute nouvelle physique qui pourrait se trouver au-delà de la théorie d'Einstein. »

Recherche avancée de particules élémentaires

Les trous noirs à rotation rapide, tels que ceux observés dans cette étude, ont désormais une nouvelle application : la physique des particules. Les scientifiques peuvent les utiliser pour vérifier l'existence de certaines particules élémentaires légères hypothétiques et déterminer leur masse. 

Ces particules, appelées bosons ultralégers, sont prédites par certaines théories qui vont au-delà du modèle standard de la physique des particules, qui décrit et classe toutes les particules élémentaires connues. Si les bosons ultralégers existent, ils peuvent extraire l'énergie de rotation des trous noirs. La quantité d'énergie extraite et le ralentissement de la rotation des trous noirs au fil du temps dépendent de la masse de ces particules, qui est encore inconnue.

L'observation selon laquelle le trou noir massif du système binaire qui a émis GW241011 continue de tourner rapidement, et ce même des millions ou des milliards d'années après sa formation, exclut une large gamme de masses de bosons ultralégers. 

Will East, chercheur à l'Institut Périmètre et coauteur de l'article a contribué à vérifier l'absence de bosons ultralégers.

« Lorsque vous mesurez un trou noir avec une rotation importante, vous pouvez l'utiliser pour exclure l'existence de particules dans certaines plages de masse », explique East. « S'il existe des particules ultralégères dont la masse se situe dans certaines plages, elles formeront spontanément des nuages autour des trous noirs en rotation. » Ces nuages continueront à croître jusqu'à ce qu'ils ralentissent, ou « freinent », le trou noir.

« Dans cet article, les chercheurs ont utilisé la mesure de la rotation pour imposer des contraintes aux bosons ultralégers », explique East. 

Joe Giaime, directeur du site de l'observatoire LIGO Livingston, a indiqué que les scientifiques et ingénieurs du LIGO ont apporté des améliorations aux détecteurs ces dernières années, ce qui a permis d'obtenir des mesures précises des formes d'onde de fusion nécessaires pour réaliser les observations subtiles requises pour GW241011 et GW241110. 

« Une meilleure sensibilité permet non seulement à LIGO de détecter beaucoup plus de signaux, mais aussi de mieux comprendre ceux que nous détectons », a-t-il déclaré. 

Tester la nature d'un objet compact  

Tamara Evstafyeva, chercheuse postdoctorale à l'Institut Périmètre et titulaire d'une bourse Vera Florence Cooper Rubin, décrit GW241011 comme « le laboratoire idéal » pour tester la nature d'un objet compact, terme qui désigne les vestiges d'étoiles, tels que les trous noirs et les étoiles à neutrons.

« Il existe également des objets hypothétiques que nous appelons « objets compacts exotiques », mentionne Evstafyeva. « Ils ne possèdent ni singularité ni horizon. Il s'agit essentiellement de substituts théoriques aux trous noirs, et il en existe toute une multitude d'espèces différentes. » 

Evstafyeva a contribué à tester la nature de l'objet compact à l'aide d'un effet mesuré appelé moment quadripolaire induit par rotation, qui peut varier en fonction de l'objet. « En mesurant cet effet, nous pouvons déterminer si le progéniteur est un trou noir ou peut-être autre chose », explique-t-elle. 

L'équipe s'est interrogée sur la possibilité que ces objets compacts soient des étoiles à bosons, mais grâce à la grande précision des mesures effectuées, elle a déterminé qu'une grande partie des modèles d'étoiles à bosons ne pouvaient expliquer GW241011.

L'événement GW241011 était exceptionnel, car il présentait des données de très haute qualité sur les masses primaires à rotation rapide et asymétriques du système binaire. « Il a une puissance de signal élevée et le signal est suffisamment fort pour se démarquer des différentes sources de bruit », explique Evstafyeva. « Il s'agit également du troisième événement gravitationnel le plus puissant du catalogue. » 

Les dix ans de LIGO 

En septembre dernier, LIGO a fêté son 10e anniversaire. Will East souligne son impact sur la physique.  

« C’est remarquable de voir comment nous sommes passés de la simple détection à la mesure précise de différents aspects de ces systèmes », explique East. « Nous sommes passés d'une poignée d'événements à ces vastes catalogues, et nous pouvons désormais commencer à établir des statistiques démographiques. » 

Luis Lehner, titulaire de la chaire Carlo Fidani Rainer Weiss en physique théorique à l'Institut Périmètre et coauteur de l'article, partage l'avis de M. East. « Nous sommes passés d'une seule détection à 300 sur une période de 10 ans. Il y a beaucoup d'événements spéciaux, mais nous entrons rapidement dans une phase où l'analyse de la population permet de nouvelles options pour tester la relativité générale et comprendre les canaux de formation. » 

Ce qui rend LIGO encore plus remarquable, c'est que les détections de candidates ondes gravitationnelles sont accessibles à tous, des astrophysiciens au grand public. 

« Les astrophysiciens n'avaient jamais eu cette possibilité auparavant », explique Lehner. « Il fallait pointer son télescope, croiser les doigts, puis attendre que quelque chose se passe, ou pas. L'univers est très intéressant, donc il se passe généralement quelque chose. Mais c'est la première fois qu'un messager peut dire : pointez votre télescope dans cette direction. C'est extraordinaire. » 

Détails de la publication

« GW241011 et GW241110 : exploration de la formation binaire et de la physique fondamentale à l'aide de fusions asymétriques de trous noirs à rotation élevée » a été publié le 28 octobre dans The Astrophysical Journal Letters.

La collaboration LIGO-Virgo-KAGRA 

LIGO est financé par la NSF et exploité par Caltech et le MIT, qui ont conçu et construit le projet. Le soutien financier du projet Advanced LIGO a été assuré par la NSF, avec la participation et les contributions importantes de l'Allemagne (Société Max Planck), du Royaume-Uni (Science and Technology Facilities Council) et de l'Australie (Australian Research Council). Plus de 1 600 scientifiques du monde entier participent à cet effort dans le cadre de la collaboration scientifique LIGO, qui comprend la collaboration GEO. Les autres institutions membres sont répertoriées sur le site https://my.ligo.org/census.php. 

La collaboration Virgo compte actuellement environ 880 membres issus de 152 institutions dans 17 pays différents (principalement européens). L'Observatoire européen de gravitation (EGO) héberge le détecteur Virgo près de Pise, en Italie, et est financé par le Centre national de la recherche scientifique (CNRS) en France, l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italie et l'Institut national de physique subatomique (Nikhef) aux Pays-Bas. Pour plus d'informations, consultez le site web de Virgo à l'adresse https://www.virgo-gw.eu.