Un trou noir a peut-être été expulsé de sa propre galaxie

Depuis quelques jours, nous adorons tous la nouvelle image glorieuse du trou noir de notre Voie lactée. Mais pendant un instant, nous pourrions vouloir faire une pause et rendre hommage à un gouffre solitaire à travers l’univers qui aurait pu être démarré à partir de sa propre galaxie.

Jeudi – le même jour, la collaboration Event Horizon Telescope nous a apporté une image viscérale du Sagittaire A * – les astronomes ont annoncé que quelque part dans le cosmos, deux trous noirs auraient pu fusionner avec suffisamment de force pour littéralement chasser le vide résultant hors de vue .

Oui, cela signifie qu’il pourrait y avoir un abîme monstrueux plongeant dans l’univers en ce moment. Mais ne paniquez pas.

“L’espace est tout simplement incroyablement vaste. La probabilité qu’un trou noir se heurte à autre chose est très faible”, a déclaré Vijay Varma, chercheur postdoctoral à l’Institut Albert Einstein et auteur principal d’une étude sur le vide abandonné publiée le 12 mai dans Physical Review Letters. . “En pratique, c’est juste un trou noir gratuit qui ne fera rien.”

Et, selon Varma, il y a de fortes chances que cette fusion, surnommée GW200129, n’ait fait qu’à moitié exploser le bébé trou noir de chez lui. “On ne sait pas si le trou noir a nécessairement été éjecté de sa galaxie hôte”, a-t-il déclaré. “Ce que nous pouvons dire avec plus de confiance, c’est que si le trou noir s’est formé dans ces amas d’étoiles appelés amas globulaires… il a très probablement été éjecté de l’amas.”

En d’autres termes, l’abîme effacé aurait pu contourner l’isolement complet – mais il s’agit presque certainement d’un type de voyage cosmique à hyper-vitesse.

Voyage d’un vide perdu

L’espace est parsemé de galaxies comme notre Voie lactée, et les galaxies sont parsemées d’étoiles comme notre soleil.

Lorsqu’une de ces étoiles implose de sorte que toute sa matière se tourne vers un point singulier, un trou noir se forme. Et parfois, il y a des régions intergalactiques où les étoiles se regroupent, augmentant ainsi la probabilité d’une soirée trou noir. Ces trous noirs qui se mélangent sont parfois pris dans une valse lors de cette rencontre dangereuse et forment ce qu’on appelle un système binaire de trous noirs, ce qui signifie simplement que deux d’entre eux sont enfermés dans une orbite. Finalement, ces orbites ont tendance à entrer en collision et à forcer les fosses sans fond dansantes à fusionner.

GW200129 a suivi avec diligence toutes ces étapes, et grâce à l’observatoire révolutionnaire des ondes gravitationnelles de l’interféromètre laser, ou LIGO, les chercheurs ont récemment capturé les recettes de la fusion sous la forme d’ondes gravitationnelles.

Mais Varma et son équipe ont voulu suivre le voyage de GW200129 au-delà même de la fusion colossale qui a traversé le tissu de l’espace et du temps. Pendant des décennies, dit Varma, les experts ont émis l’hypothèse que de telles unions de trous noirs bouleversant l’espace pourraient créer une sorte de recul appelé un “coup de pied” de vitesse.

Voici ce que c’est.

Lorsque deux objets entrent en collision, les lois de la physique disent que leur quantité de mouvement doit être conservée. L’élément résultant doit conserver la vitesse ou la vitesse de la somme des deux premiers et continuer à se déplacer avec une force nette. En tant que tels, on pense que les trous noirs suivent la même règle, “poussant” ainsi un vide dérivé de la fusion vers l’extérieur avec une certaine vitesse, ou vitesse de coup de pied. C’est un peu comme lorsque vous tirez avec une arme à feu dans un jeu vidéo, il y a un recul qui rend plus difficile d’atteindre une cible car cela bouscule votre personnage. Ce mouvement ultérieur se produit en raison de la conservation de la quantité de mouvement.

Si la vitesse d’éjection d’un trou noir correspond à ce qu’on appelle la “vitesse de fuite” d’une galaxie, simplement la vitesse requise pour sortir de cette galaxie, eh bien, elle sortirait de cette galaxie.

Et en calculant le “coup de pied” de vitesse de GW200129, Varma et son équipe ont vu qu’il rencontrait effectivement la vitesse de fuite de son amas d’étoiles. “Si vous voulez être plus précis”, a-t-il noté, “il ne va certainement pas s’échapper. C’est 99,5% de chances de s’échapper.”

“L’idée que ces trous noirs peuvent atteindre des vitesses de déclenchement de milliers de kilomètres par seconde est connue depuis environ 2007”, a ajouté Varma. “Mais c’est la première fois que nous pouvons voir cela à partir d’ondes gravitationnelles.”

L’équipe affirme que GW200129 répond probablement même aux critères de vitesse d’échappement pour s’expulser de toute la galaxie dans laquelle il vit. Cependant, “nous ne pouvons pas identifier de quelle galaxie ou amas de galaxies il provient”, a déclaré Varma, c’est pourquoi ce bit n’est toujours pas clair. Il donne à la fusion environ 85% de chances d’échapper à un royaume semblable à la Voie lactée, pour le contexte, mais dit qu’il est moins probable qu’elle ait échappé à une galaxie elliptique car ces quartiers cosmiques ont des vitesses d’échappement très élevées.

“Nous avons en fait essayé cela il y a deux ans”, a-t-il déclaré. “C’était un peu décevant de voir qu’aucun des signaux ne montrait de vitesse de frappe mesurable. Voir enfin cela se produire était très agréable, et pour notre domaine en général, cela a mis du temps à venir.”

Repenser la physique des trous noirs

“Si nous constatons que de gros coups de pied comme celui-ci sont très courants, nous nous attendrions à ce que les trous noirs ne soient pas conservés après la première fusion”, a déclaré Varma. Et cela, dit-il, contredirait l’une des principales théories expliquant pourquoi certains trous noirs sont vraiment lourds.

Des simulations informatiques ont montré que les supernovas ne devraient pas être capables de créer des trous noirs avec des masses supérieures à environ 45 à 60 fois celle de notre soleil. Mais, a expliqué Varma, “LIGO et Virgo ont en fait trouvé de tels trous noirs.”

“D’où viennent-ils?” a été une question en suspens pour les astronomes.

L’un des mécanismes proposés est la fusion ultérieure des trous noirs, car en tant que composés de trous noirs, celui qui en résulte est toujours plus grand. Imaginez des bulles se combinant en bulles plus grosses. Peut-être qu’il y a une sorte d’effet de bulle qui se produit avec les trous noirs.

bulles

Pensez à la façon dont les bulles peuvent se combiner pour former de plus grosses bulles. Ensuite, ceux-ci peuvent se combiner pour former des bulles encore plus grosses. Les scientifiques pensent que les trous noirs pourraient aussi faire cela.

Getty Images

Mais, comme l’a expliqué Varma, si un trou noir issu d’une fusion était expulsé de sa galaxie, ou même de son amas d’étoiles, il ne pourrait probablement pas fusionner à nouveau. Ce serait… un peu perdu. “Nous devrons peut-être repenser nos modèles astrophysiques”, a-t-il déclaré, si les vitesses de coup de pied très élevées provenant des fusions de trous noirs sont omniprésentes.

Des trous noirs supermassifs voyous ?

Jusqu’à présent, en ce qui concerne les vitesses de coup de pied, nous avons parlé de trous noirs qui ne sont pas considérés comme supermassifs. Les trous noirs supermassifs sont comme les moteurs qui font fonctionner notre univers, ancrant ensemble chaque voisinage galactique. SgrA*, qui ancre notre galaxie par exemple, est un vide supermassif.

Cela soulève une question stressante : la fusion de galaxies, c’est-à-dire la fusion de trous noirs supermassifs, peut-elle entraîner une augmentation de la vitesse ?

trous noirs côte à côte

A côté du trou noir M87* imagé en 2019 et SgrA* imagé cette année.

Collaboration EHT

“Dans cette situation, le trou noir final peut en fait être éjecté de toute la galaxie ou être déplacé de son centre”, a déclaré Varma. “Cela peut conduire, par exemple, à des galaxies sans trous noirs supermassifs centraux.” Cependant, nous n’avons toujours pas vraiment de preuves concrètes d’un tel incident.

Et s’il y a encore une partie de vous qui est coincée sur le fait qu’un trou noir traverse le cosmos en raison de la probabilité qu’il explose dans la Voie lactée, l’équipe de recherche de la nouvelle étude offre un soulagement supplémentaire. “On me pose souvent cette question”, a déclaré Varma, “si nous devrions nous attendre à des trous noirs dans les prévisions météorologiques. Mais, je veux dire, nous avons également pu mesurer la direction de la vitesse.”

“Et dans ce cas particulier, il est en fait dirigé loin de nous.”

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