Il y a des milliards d'années, deux trous noirs beaucoup plus massifs que le Soleil - 31 et 19 masses solaires chacun - ont fusionné dans une galaxie lointaine. Le 4 janvier 2017, ces ondes gravitationnelles, voyageant à travers l'Univers à la vitesse de la lumière, ont finalement atteint la Terre, où elles ont pressé et étiré notre planète en plusieurs atomes. Cela a suffi à deux détecteurs LIGO à Washington et en Louisiane pour capter le signal et reconstituer exactement ce qui s'est passé. Pour la troisième fois de l'histoire, nous avons directement observé des ondes gravitationnelles. Pendant ce temps, les télescopes et les observatoires du monde entier, y compris ceux en orbite terrestre, recherchaient un signal complètement différent: quelque chose comme la lumière ou le rayonnement électromagnétique que ces trous noirs fusionnés pourraient émettre.
Une illustration de la fusion de deux trous noirs de masse comparable à ceux observés au LIGO. On s'attend à ce qu'une telle fusion produise très peu de signaux électromagnétiques, mais la présence d'une substance très chauffée à proximité de ces objets peut changer cela.
Selon nos meilleurs modèles de physique, la fusion de trous noirs ne devrait pas émettre de lumière du tout. Une singularité massive entourée par un horizon d'événements peut émettre des ondes gravitationnelles en raison de la courbure changeante de l'espace-temps, car elle tourne autour d'une autre masse géante, et la relativité générale l'implique. Puisque l'énergie gravitationnelle sous forme de rayonnement doit provenir de quelque part, le trou noir final après la fusion sera de plusieurs masses solaires plus légères que la somme des sources qui l'ont généré. Ceci est tout à fait conforme à deux autres fusions observées par LIGO: environ 5% des masses d'origine ont été converties en énergie pure sous forme de rayonnement gravitationnel.
Les masses de systèmes de trous noirs binaires connus, y compris trois fusions LIGO confirmées et un candidat à la fusion
Mais s'il y a quelque chose en dehors de ces trous noirs, comme un disque d'accrétion, un pare-feu, une coque dure, un nuage diffus ou autre chose, l'accélération et le réchauffement de ce matériau peuvent créer un rayonnement électromagnétique qui se déplace avec nos ondes gravitationnelles. Après la première détection LIGO, le moniteur de rafale de rayons gamma de Fermi a déclaré qu'il avait détecté une rafale de haute énergie coïncidant avec l'heure du signal d'onde gravitationnelle. Malheureusement, le satellite de l'ESA a non seulement échoué à confirmer les résultats de Fermi, mais les scientifiques qui y travaillaient ont découvert une faille dans l'analyse de Fermi de leurs données, discréditant complètement leurs résultats.
Fusion de deux trous noirs à travers les yeux d'un artiste, avec un disque d'accrétion. La densité et l'énergie de la matière ne devraient pas être suffisantes ici pour créer des rayons gamma ou des sursauts de rayons X, mais qui sait de quoi la nature est capable.
La deuxième fusion n'a pas montré de tels indices de signaux électromagnétiques, mais ce n'est pas surprenant: les trous noirs étaient beaucoup plus légers en masse, de sorte que tout signal qu'ils généraient serait proportionnellement plus faible en magnitude. Mais la troisième fusion était également importante en masse, plus comparable à la première qu'à la seconde. Bien que Fermi n'ait rien dit et que le satellite Integral de l'ESA soit également resté silencieux, il y avait deux indices selon lesquels un rayonnement électromagnétique aurait pu se produire. Le satellite AGILE de l'Agence spatiale italienne a enregistré une légère éruption de courte durée survenue une demi-seconde avant la fusion à LIGO, et les observations aux rayons X, radio et optique combinées ont été identifiées de manière étrange.
Si tout cela pouvait être attribué à la fusion des trous noirs, ce serait complètement incroyable. Nous en savons si peu sur les trous noirs en général, que pouvons-nous dire sur les fusions. Nous ne les avons jamais vus de nos propres yeux, même si le télescope Event Horizon prendra en quelque sorte une photo avant la fin de cette année. Nous avons découvert cette année que les trous noirs n'ont pas de coquilles dures entourant l'horizon des événements, mais ce fait était également statistique. Donc, quand il s'agit de la possibilité que les trous noirs puissent avoir des fuites électromagnétiques, il vaut la peine de garder l'esprit ouvert.
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Les quasars massifs et éloignés présentent des trous noirs supermassifs dans leur noyau et leurs fuites électromagnétiques sont faciles à détecter. Mais nous n'avons pas encore vu la fusion des trous noirs (en particulier ceux de faible masse, moins de 100 soleils) émettre quoi que ce soit qui puisse être détecté.
Malheureusement, aucune de ces observations ne fournit les données nécessaires pour nous amener à conclure que la fusion des trous noirs peut émettre quoi que ce soit dans le spectre électromagnétique. En général, il est assez difficile d'obtenir des preuves convaincantes, car même les détecteurs jumeaux LIGO, fonctionnant avec une précision incroyable, ne peuvent pas localiser le signal d'onde gravitationnelle avec plus de précision que jusqu'à une constellation ou trois. Étant donné que les ondes gravitationnelles et les ondes électromagnétiques voyagent à la vitesse de la lumière, il est extrêmement improbable qu'il y ait un délai de près de 24 heures entre les deux. De plus, l'événement transitoire se produit à une distance qui ne lui permet pas d'être associé à une onde gravitationnelle.
La zone d'observation de l'observatoire AGILE au moment des observations LIGO avec la localisation possible de la source d'onde gravitationnelle indiquée en contour violet
Les observations d'AGILE pourraient potentiellement suggérer que quelque chose d'intéressant se passe. Au moment où l'événement d'onde gravitationnelle a été détecté, AGILE visait une zone de l'espace qui contient 36% de la zone d'étude LIGO. Selon les scientifiques, "l'excès de photons X détectés" est apparu quelque part au-dessus du fond moyen habituel. Mais en regardant les données, la première question que se posent les scientifiques est la suivante: dans quelle mesure sont-ils convaincants?
Quelques secondes avant la fusion LIGO, ils ont sorti un événement intéressant, intitulé E2 dans les trois graphiques ci-dessus. Après une analyse approfondie dans laquelle ils ont mis en corrélation ce qu'ils voient et le type de fluctuations aléatoires qui peuvent se produire naturellement, ils ont conclu que quelque chose d'intéressant s'était produit avec une probabilité de 99,9%. En d'autres termes, ils ont vu un vrai signal, pas une fluctuation aléatoire. Il existe de nombreux objets dans l'Univers qui émettent des rayons gamma et des rayons X qui composent l'arrière-plan. Mais l'incident peut-il être lié à la fusion gravitationnelle de deux trous noirs?
Simulations informatiques de la fusion de deux trous noirs avec la production d'ondes gravitationnelles. La question est: ce signal accompagne-t-il un sursaut électromagnétique?
Si oui, pourquoi les autres satellites ne l'ont-ils pas vu? Pour le moment, nous pouvons conclure que si les trous noirs avaient une partie électromagnétique, ils:
- extrêmement faible
- naît uniquement à basse énergie
- n'a pas de composant optique, radio ou gamma brillant
- ne se produit pas simultanément avec la libération d'ondes gravitationnelles.
Les trous noirs binaires de 30 masses solaires, enregistrés pour la première fois par LIGO, sont difficiles à former sans effondrement direct. Maintenant, quand ils ont déjà été observés deux fois, il est devenu clair que de telles paires de trous noirs sont assez courantes. Ont-ils un rayonnement électromagnétique?
De plus, tout ce que nous voyons correspond parfaitement au fait que la fusion des trous noirs n'a pas de partie électromagnétique. Mais est-ce possible parce que nous n'avons pas suffisamment de données? Si nous construisons plus de détecteurs d'ondes gravitationnelles, voyons plus de fusions de trous noirs de masse élevée, mieux les localiser, voir plus d'événements transitoires - nous pouvons trouver la réponse à cette question. Si des missions et des observatoires qui devraient collecter de telles données sont construits, mis en service et mis en orbite, si nécessaire, nous recevrons dans 15 ans une confirmation scientifique.
ILYA KHEL
