Ils révèlent l’origine de la fusion des trous noirs dans des galaxies comme la nôtre

MADRID, 29 juin (EUROPA PRESS) –

Une équipe de scientifiques de l’Université de Genève (UNIGE) en Suisse, de la Northwestern University et de l’Université de Floride, toutes deux aux États-Unis, ont révélé grâce à des outils de simulation l’origine de la fusion des trous noirs dans des galaxies telles que la Voie Lactée et met en lumière sa nature énigmatique, tel que publié dans la revue “Nature Astronomy”.

Les trous noirs ont une immense attraction gravitationnelle si forte que même la lumière ne peut s’en échapper. La détection pionnière des ondes gravitationnelles en 2015, causées par la coalescence de deux trous noirs, a ouvert une nouvelle fenêtre sur l’univers. Depuis lors, des dizaines d’observations de ce type ont déclenché une recherche parmi les astrophysiciens pour comprendre leurs origines astrophysiques.

Grâce aux avancées récentes du code POSYDON dans la simulation des populations d’étoiles binaires, l’équipe de scientifiques a prédit l’existence de trous noirs binaires massifs de 30 masses solaires dans des galaxies similaires à la Voie lactéedéfiant ainsi les théories précédentes.

Les trous noirs de masse stellaire sont des objets célestes nés de l’effondrement d’étoiles dont la masse est de quelques à quelques centaines de fois celle de notre Soleil. Leur champ gravitationnel est si intense que ni la matière ni le rayonnement ne peuvent leur échapper, ce qui rend la détection extrêmement difficile.

Ainsi, lorsque le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) a détecté les minuscules ondulations dans l’espace-temps produites par la fusion de deux trous noirs en 2015, cela a été considéré comme un moment décisif. Selon les astrophysiciens, les deux trous noirs fusionnés qui ont provoqué le signal avaient environ 30 fois la masse du Soleil et 1,5 milliard d’années-lumière.

La collaboration POSYDON a fait des progrès significatifs dans la simulation des populations d’étoiles binaires. Ces travaux contribuent à apporter des réponses plus précises et à concilier prédictions théoriques et données d’observation.

“Puisqu’il est impossible d’observer directement la formation de trous noirs binaires fusionnants, il est nécessaire de s’appuyer sur des simulations qui reproduisent leurs propriétés observationnelles. Pour ce faire, nous simulons des systèmes d’étoiles binaires depuis leur naissance jusqu’à la formation de systèmes de trous noirs binaires”, explique Simone Bavera, chercheuse postdoctorale au Département d’astronomie de la Faculté des sciences de l’UNIGE et auteure principale de cette étude.

Interpréter les origines de la fusion des trous noirs binaires, tels que ceux observés en 2015, nécessite de comparer les prédictions des modèles théoriques avec les observations réelles », a-t-il poursuivi. La technique utilisée pour modéliser ces systèmes est connue sous le nom de “synthèse de population binaire”.

Il ajoute que “cette technique simule l’évolution de dizaines de millions de systèmes d’étoiles binaires afin d’estimer les propriétés statistiques de la population résultante de sources d’ondes gravitationnelles. Cependant, pour y parvenir dans un délai raisonnable, les chercheurs se sont jusqu’à présent appuyés sur des modèles utilisant des méthodes approchées pour simuler l’évolution des étoiles et leurs interactions binaires.“.

“Par conséquent, la simplification excessive de la physique stellaire simple et binaire conduit à des prédictions moins précises.“, explique Anastasios Fragkos, maître de conférences au Département d’astronomie de la Faculté des sciences de l’UNIGE.

POSYDON a surmonté ces limitations. Conçu comme un logiciel open source, il tire parti d’une grande bibliothèque précalculée de simulations détaillées d’étoiles simples et binaires pour prédire l’évolution de systèmes binaires isolés.

Chacune de ces simulations détaillées peut prendre jusqu’à 100 heures CPU pour s’exécuter sur un supercalculateur, de sorte que cette technique de simulation n’est pas directement applicable à la synthèse de populations binaires.

“Cependant, en précalculant une bibliothèque de simulations couvrant tout l’espace des paramètres des conditions initiales, POSYDON peut utiliser ce vaste ensemble de données en conjonction avec des méthodes d’apprentissage automatique pour prédire l’évolution complète des systèmes binaires en moins d’une seconde.. Cette vitesse est comparable aux codes de synthèse rapide de population de la génération précédente, mais avec une plus grande précision », explique Jeffrey Andrews, professeur adjoint au département de physique de l’UF.

“Les modèles antérieurs à POSYDON prédisaient un taux négligeable de formation de trous noirs binaires fusionnés dans des galaxies similaires à la Voie lactée, et en particulier n’ont pas prédit l’existence de trous noirs fusionnés aussi massifs que 30 fois la masse de notre soleil. POSYDON a montré que de tels trous noirs massifs pourraient exister dans des galaxies similaires à la Voie lactée », explique Vicky Kalogera, professeur émérite Daniel I. Linzer de physique et d’astronomie au département de physique et d’astronomie de Northwestern, directeur du Centre de recherche interdisciplinaire et d’exploration en astrophysique ( CIERA) et co-auteur de cette étude.

Les modèles précédents surestimaient certains aspects, comme l’expansion des étoiles massives, qui influence leur perte de masse et leurs interactions binaires. Ces éléments sont des ingrédients clés qui déterminent les propriétés de la fusion des trous noirs.

Grâce à des simulations détaillées et entièrement auto-cohérentes de la structure stellaire et des interactions binaires, POSYDON réalise des prédictions plus précises des propriétés des trous noirs binaires fusionnés, telles que leurs masses et leurs spins.

Cette étude est la première à utiliser le logiciel open source POSYDON pour étudier la fusion des trous noirs binaires. Il fournit de nouvelles informations sur les mécanismes de formation des trous noirs fusionnés dans des galaxies comme la nôtre.

L’équipe de recherche développe actuellement une nouvelle version de POSYDON, qui comprendra une bibliothèque plus large de simulations binaires et stellaires détaillées, capable de simuler des binaires dans une gamme plus large de types de galaxies.