La simulation montre comment les collisions d’étoiles alimentent des trous noirs massifs

Il est difficile de prédire avec certitude ce qui se passera lorsque des étoiles géantes entreront en collision, mais de nouvelles simulations hydrodynamiques inédites réalisées par l’équipe DEMOBLACK de l’Université de Padoue en Italie indiquent une gamme de résultats exotiques. Ceux-ci incluent la construction de trous noirs massifs dans les pépinières stellaires, où les grandes étoiles résident à proximité les unes des autres.

L’astrophysicienne Michela Mapelli décrira la nouvelle simulation et ses prédictions le lundi 11 avril à 13 h 30 HAE lors d’une session à l’APS April Meeting 2022. La réunion hybride se tiendra à New York et en ligne. Mapelli présentera ses découvertes virtuellement. Elle répondra également aux questions des médias lors d’une conférence de presse en ligne à 10 h HAE le samedi 9 avril. Outre Mapelli, le projet DEMOBLACK comprend les astrophysiciens Alessandro Ballone et Guglielmo Costa.

Le modèle de Mapelli suggère une réponse à une question pressante dans le domaine de l’astronomie des ondes gravitationnelles : comment deux trous noirs distants se sont-ils combinés pour produire GW190521, une puissante onde gravitationnelle détectée en 2019 par Advanced LIGO et Virgo ? Le signal de GW190521 avait la forme caractéristique d’une fusion de trous noirs. Dans ce cas, c’était entre deux trous noirs progéniteurs avec des masses de 85 et 66 masses solaires. Leur collision a donné naissance à un vestige de trou noir plus de 140 fois plus massif que le soleil.

Mais la fusion a été un casse-tête. Il était plus gros que les trous noirs de masse stellaire, qui se forment à partir des noyaux effondrés des étoiles, et plus petit que les trous supermassifs. Sa masse l’a fait atterrir dans un “écart de masse” – une plage dans laquelle les physiciens n’étaient pas sûrs que des trous noirs pourraient se former.

Mapelli et ses collaborateurs ont d’abord prédit que les collisions stellaires pourraient conduire à la formation de trous noirs dans l’écart de masse environ un an avant l’annonce de l’observation LIGO-Virgo. Cependant, ils n’ont pas exécuté de simulation hydrodynamique jusqu’à ce qu’ils en sachent plus sur GW190521. “Cela nous a fait retrousser nos manches”, dit-elle.

Selon la simulation DEMOBLACK, un tel mastodonte pourrait survenir lorsque de grandes étoiles, comme celles que l’on trouve densément entassées dans une pépinière stellaire, s’unissent. Les simulations précédentes ont modélisé des collisions entre des étoiles de masse faible et moyenne, mais le travail de Mapelli, pour la première fois, décrit ce qui se passe après que des géants se sont écrasés. “Personne n’a fait la simulation de la collision d’étoiles aussi massives”, dit-elle.

Lors de la réunion de l’APS, Mapelli décrira les processus dynamiques qui pourraient sous-tendre la formation de trous noirs binaires massifs dans les jeunes amas d’étoiles. La simulation commence avec deux étoiles, dont l’une est une séquence principale, une étoile physiquement non évoluée environ 40 fois plus massive que le soleil. “C’est surtout de l’hydrogène frais”, dit-elle. L’autre étoile est plus ancienne, mesure environ 60 masses solaires et possède un noyau compact d’hélium. “Cela signifie que le rayon est très grand, la masse est grande et le contraste entre la densité du noyau et la partie externe est grand”, explique Mapelli.

Selon certaines hypothèses, ces étoiles pourraient s’effondrer en un trou noir de plus de 50 masses solaires. Et ces trous noirs, à leur tour, pourraient former des binaires et finalement fusionner. Selon Mapelli, ces types d’échanges et de collisions stellaires peuvent créer des trous noirs binaires d’une masse supérieure à 40 soleils. Des collisions et des fusions répétées pourraient produire des trous noirs de masses beaucoup plus élevées, allant d’environ 100 à 10 000 fois la masse du soleil.

Depuis l’observation de GW190521 rapportée dans Lettres d’examen physique en 2020, les théoriciens ont cherché une explication rigoureuse des processus dynamiques qui le sous-tendent. Une idée concurrente postule que le binaire incluait des trous noirs primordiaux, ce qui signifie qu’ils ne provenaient pas des noyaux effondrés des étoiles mais qu’ils provenaient de l’univers primitif. Un autre, renforcé par l’observation que la fusion a pu produire une éruption électromagnétique, suggère que la collision s’est produite à l’intérieur du disque de gaz dense entourant un trou noir supermassif.

Mapelli dit que son travail n’exclut pas ces autres explications. “Nous ne sommes pas sûrs que cette collision soit la seule explication possible pour un événement comme 190521”, dit-elle. “Cette simulation ne rejette pas les autres. Nous devons considérer les trois.