La collaboration LIGO-Virgo-KAGRA publie aujourd'hui la détection de la fusion d'un couple d'astres compacts GW230529, dont un membre questionne les scénarios de formation des trous noirs. Cette détection a eu lieu le 29 mai 2023 alors que seule une antenne d'ondes gravitationnelles était en fonction, LIGO Livingston. Avec un taux de fausse alarme d’un tous les mille ans, il s'agit sans aucune ambiguïté d'un événement astronomique, avec une amplitude de signal permettant la détermination claire des masses des deux objets impliqués.
L’objet le plus lourd (dit « primaire ») du couple avant fusion a une masse estimée à 3,6 masses solaires (M⊙). C'est la première fois qu’un objet primaire a très probablement une masse entre 3 et 5 M⊙. La limite inférieure de 3 M⊙ correspond aux masses les plus élevées des étoiles à neutrons observées, et la limite supérieure de 5 M⊙ provient des observations de trous noirs de la Voie lactée ; elle trouve son origine dans la masse minimale du trou noir que le cœur d’une étoile s’effondrant peut former.
Mais l’analyse indique avec une probabilité de 99% que cet astre primaire de GW230529 est bien un trou noir de masse inférieure à 5 M⊙. La possibilité qu’il s’agisse d’une étoile à neutron n'est pas rigoureusement exclue, mais sa probabilité ne dépasse pas quelques pour cent. L'autre membre du couple, avec une masse située entre 1,2 et 2,0 M⊙ est assurément une étoile à neutrons.
Ces fusions de couples mixtes étoile à neutrons - trou noir sont assez rares, mais le taux de fusion impliqué par cette détection est compatible avec celui trouvé pendant le troisième run d'observation de LIGO-Virgo-KAGRA (O3). Ce qui renforce l’hypothèse trou noir pour l’astre primaire.
Cette détection change l’éclairage que l’on a sur les populations de trous noirs : si on considère un modèle de population ne prenant en compte que des couples mixtes étoiles à neutrons - trous noirs, cette nouvelle détection abaisse la limite basse de la masse primaire à 3,36 M⊙ au lieu de 6,04 M⊙. « Cet évènement renforce l’idée que le gap entre les populations d’étoiles à neutrons et de trous noirs stellaires n’est pas vide », explique Shanika Galaudage, post-doctorante à l’Observatoire de la Côte d’Azur, spécialiste des couples de trous noirs - étoiles à neutrons et une des responsables de l’écriture de l’article.
Cette existence peut marquer un processus de formation original. En effet la faiblesse de la masse primaire défavorise le principal scénario de formation des trous noirs stellaires, par effondrement d’une étoile massive en supernova. Cependant il serait possible qu’un mécanisme de retombée tardive de matière conduise un cœur d’étoile à se transformer en un trou noir de masse comprise entre 3 et 6 M⊙. Les simulations d'effondrement d'étoiles à hélium prédisent, elles aussi, des masses plus faibles que 5 M⊙, même si elles ne dominent pas. En réalité les incertitudes entourant l'effondrement des étoiles ne permettent pas une évaluation précise des limites de masses des objets résiduels, ce qui rend GW230529 aussi précieux pour les différents modèles d'effondrement du cœur d’une étoile massive en fin de vie.
Il existe encore d'autres scénarii possibles, très intéressants, qui aboutissent à une telle masse primaire : elle viendrait par exemple de la fusion de deux membres d'un triplet ou même d'un quadruplet d’étoiles à neutrons, à moins que la masse secondaire n’ait été capturée par l'autre au sein d'un jeune cluster d’étoiles ou d'un noyau de galaxie active. Il ne peut non plus être exclu que l'on ait affaire à un trou noir d'origine primordiale, tant recherché.
« Ce genre d’événements est intéressant par la quantité de questions qu’ils posent à la communauté astrophysique. On repousse les frontières de nos compréhensions sur l’origine des populations d’étoiles à neutrons et de trous noirs » ajoute Shanika Galaudage. « La quatrième période de prise de données va commencer, avec un peu de chance on détectera d’autres événements de ce type ! », sourit-elle pour conclure.
« Cette nouvelle période de prise de données, qui réunit LIGO, Virgo et KAGRA, va recommencer officiellement le 10 avril », précise Marie-Anne Bizouard, directrice de recherche CNRS, responsable de Virgo au laboratoire Artemis (Observatoire de laCöte d'Azur - Université Côte d'Azur - CNRS), « et toutes nos équipes sont mobilisées par l’optimisation de l’antenne Virgo et l’analyse de données ».
L’Observatoire de la Côte d’Azur a participé dès l'origine à la construction de Virgo, un des détecteurs, avec LIGO aux Etats Unis et KAGRA au Japon, qui sondent l’Univers grâce aux ondes gravitationnelles. C’est aussi un des leaders de l’analyse des données qu’ils vont fournir en continu à partir du 10 avril jusqu’à la fin de l’année.
Référence
Observation of Gravitational Waves from the Coalescence of a 2.5-4.5 M_\odot Compact Object and a Neutron Star - 5 avril 2024.
Contacts
Shanika Galaudage, post-doctorante, laboratoire Artemis (Observatoire de laCöte d'Azur - Université Côte d'Azur - CNRS) shanika.galaudage@oca.eu
