Les trous noirs pourraient gagner de la masse grâce à l’expansion de l’univers lui-même

La première image d’un trou noir, illuminé par la chute de matière. Dans cette étude, les chercheurs ont proposé un modèle où ces objets pourraient gagner de la masse sans ajouter de matière : ils pourraient être couplés cosmologiquement à la croissance de l’univers lui-même. Crédit : Jean-Pierre Luminet, « Image of a spherical black hole with a thin accretion disk », Astronomy and Astrophysics 75 (1979) : 228-35.

Depuis six ans, les observatoires d’ondes gravitationnelles découvrent Trou noir Fusions, vérifiant la prédiction principale de la théorie gravitationnelle d’Albert Einstein. Mais il y a un hic : beaucoup de ces trous noirs sont étonnamment grands. Maintenant, une équipe de chercheurs de l’Université d’Hawaï à Manoa Université de Chicagoet l’Université du Michigan à Ann Arbor, ont trouvé une nouvelle solution à ce problème : les trous noirs se développent avec l’expansion de l’univers.

Depuis la première observation de la fusion des trous noirs par l’interféromètre laser à ondes gravitationnelles (lego) En 2015, les astronomes ont été surpris à plusieurs reprises par leurs grandes masses. Bien qu’ils n’émettent aucune lumière, la fusion des trous noirs a été observée à travers leur émission ondes gravitationnelles Ondulations dans le tissu de l’espace-temps prédites par la théorie de la relativité générale d’Einstein. Les physiciens s’attendaient à l’origine à ce que les trous noirs aient des masses inférieures à environ 40 fois la masse du Soleil, car la fusion des trous noirs provient d’étoiles massives, qui ne peuvent pas tenir ensemble si elles deviennent trop grandes.

Cependant, les observatoires LIGO et Virgo ont trouvé de nombreux trous noirs avec des masses supérieures à 50 soleils, et certains jusqu’à 100 soleils. Plusieurs scénarios de formation ont été proposés pour la production de ces grands trous noirs, mais aucun scénario unique n’a été en mesure d’expliquer la diversité des fusions de trous noirs observées jusqu’à présent, et il n’y a pas d’accord sur l’ensemble de scénarios de formation physiquement viables. Cette nouvelle étude, publiée dans Lettres de revues astrophysiques, est le premier à montrer que des masses de grands et petits trous noirs peuvent être produites à partir d’un seul chemin, car les trous noirs gagnent de la masse grâce à l’expansion de l’univers lui-même.

Comparer les observations d'une fusion de trou noir avec les attentes

Comparer les observations d’une fusion de trous noirs avec les nouvelles prédictions du modèle. L’axe horizontal montre la masse totale de chaque trou noir dans une fusion unique, par rapport à la masse du Soleil. L’axe vertical donne une mesure du degré de fusion qui s’est produit dans le passé, où le décalage vers le rouge (indiqué par z) correspond à 1 lorsque l’univers avait la moitié de sa taille actuelle et z = 0 aujourd’hui. LIGO— Les observations de la Vierge sont présentées sous forme de croix noires, les croix plus petites représentant des mesures avec moins d’incertitude. Les prédictions de trous noirs dans l’univers stationnaire (non en expansion) apparaissent dans la région orange, avec des ombres plus sombres représentant plus d’objets prédits. Ceux-ci contrastent avec les prédictions de trous noirs cosmologiquement couplés dans l’univers en croissance, qui apparaissent dans la région bleue. Crédit : Université d’Hawaï, Université de Chicago, Université du Michigan à Ann Arbor

Les astronomes conçoivent généralement des trous noirs à l’intérieur d’un univers qui ne peut pas s’étendre. « C’est une hypothèse qui simplifie les équations d’Einstein parce qu’un univers qui ne grandit pas a peu à suivre,«  a déclaré Kevin Crocker, professeur au département de physique et d’astronomie de l’UH Mānoa. « Mais il y a un compromis : les prévisions peuvent n’être raisonnables que pour une période de temps limitée.« 

Étant donné que les événements individuels pouvant être détectés par LIGO — Virgo ne durent que quelques secondes, lors de l’analyse d’un seul événement, cette simplification est raisonnable. Mais ces mêmes fusions pourraient prendre des milliards d’années. Pendant la période entre la formation d’une paire de trous noirs et leur fusion éventuelle, l’univers grandit en profondeur. Si les aspects les plus subtils de la théorie d’Einstein sont soigneusement examinés, une possibilité surprenante émerge : les masses des trous noirs peuvent croître intimement avec l’univers, un phénomène que Crocker et son équipe appellent le couplage cosmique.

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L’exemple le plus célèbre de matière cosmologiquement couplée est la lumière elle-même, qui perd son énergie à mesure que l’univers grandit. « Nous avons pensé à prendre en compte l’effet inverse,«  a déclaré le co-auteur de la recherche et professeur de physique et d’astronomie UH Mānoa. Que remarquerait LIGO-Virgo si les trous noirs étaient couplés cosmologiquement et gagnaient de l’énergie sans consommer d’étoiles ou d’autres gaz ?« 

Pour étudier cette hypothèse, les chercheurs ont simulé la naissance, la vie et la mort de millions de paires de grandes étoiles. Toutes les paires où les deux étoiles sont mortes ont été liées pour former des trous noirs de la taille d’un univers, à partir du moment de leur mort. Au fur et à mesure que l’univers continuait de grandir, les masses de ces trous noirs augmentaient au fur et à mesure qu’ils se rapprochaient les uns des autres. Le résultat n’était pas seulement plus de trous noirs massifs lors de leur fusion, mais aussi plus de fusions. Lorsque les chercheurs ont comparé les données LIGO-Virgo avec leurs prédictions, ils ont été raisonnablement d’accord. « Je dois dire que je ne savais pas quoi penser au début,«  a déclaré Gregory Tarly, co-auteur de l’étude et professeur à l’Université du Michigan. « C’était une idée si simple, j’ai été surpris que cela fonctionne si bien.« 

Selon les chercheurs, ce nouveau modèle est important car il ne nécessite aucun changement dans notre compréhension actuelle de la formation, de l’évolution ou de la mort des étoiles. L’accord entre le nouveau modèle et nos données actuelles vient simplement de la reconnaissance que les trous noirs réalistes n’existent pas dans un univers statique. Les chercheurs ont cependant tenu à souligner que le mystère de LIGO – les trous noirs massifs de la Vierge est encore loin d’être résolu.

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« De nombreux aspects de la fusion des trous noirs ne sont pas connus en détail, tels que les environnements de formation dominants et les processus physiques complexes qui se poursuivent tout au long de leur vie,«  a déclaré un co-auteur de la recherche et Nasa Hubble Fellow Dr Michael Ziffin. « Bien que nous ayons utilisé un amas d’étoiles simulé qui reflète les données dont nous disposons actuellement, il y a beaucoup de marge de manœuvre. Nous pouvons voir que la conjonction cosmique est une idée utile, mais nous ne pouvons pas encore mesurer la force de ce couplage.« 

Le co-auteur de la recherche et professeur Curtis Nishimura en physique et astronomie à l’UH Mānoa a exprimé son optimisme quant aux futurs tests de cette nouvelle idée : Cela sera mesuré dans Assez bientôt.« 

Référence : « Objets compacts à couplage cosmologique : un modèle à un paramètre de la masse LIGO-Virgo et des distributions de décalage vers le rouge » par Kevin S. Crocker, Michael Zeven, Duncan Farrah, Curtis A. Nishimura et Gregory Tarly, 3 novembre 2021, disponible ici. Lettres de revues astrophysiques.
DOI : 10.3847 / 2041-8213 / ac2fad

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