Une nouvelle étude propose que l’expansion de l’univers ait un impact direct sur la croissance des trous noirs –

Depuis la première observation de la fusion de trous noirs par le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) en 2015, les astronomes ont été à plusieurs reprises surpris par leurs grandes masses. Bien qu’ils n’émettent aucune lumière, les fusions de trous noirs sont observées à travers leur émission d’ondes gravitationnelles – des ondulations dans le tissu de l’espace-temps qui ont été 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 celles du Soleil, car la fusion des trous noirs provient d’étoiles massives, qui ne peuvent pas se maintenir si elles deviennent trop grosses.

Les observatoires LIGO et Virgo, cependant, ont trouvé de nombreux trous noirs avec des masses supérieures à celles de 50 soleils, certains aussi massifs que 100 soleils. De nombreux scénarios de formation ont été proposés pour produire de tels 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 la combinaison de scénarios de formation physiquement viable. Cette nouvelle étude, publiée dans le Lettres de revues astrophysiques, est le premier à montrer que les masses de trous noirs, grandes et petites, peuvent résulter d’une seule voie, dans laquelle les trous noirs gagnent de la masse grâce à l’expansion de l’univers lui-même.

Les astronomes modélisent 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 beaucoup moins à suivre”, a déclaré Kevin Croker, professeur au département de physique et d’astronomie de l’UH M?noa. désactivé cependant : les prédictions peuvent n’être raisonnables que pour une durée limitée.”

Étant donné que les événements individuels détectables par LIGO — Virgo ne durent que quelques secondes, lors de l’analyse d’un événement unique, cette simplification est judicieuse. Mais ces mêmes fusions sont potentiellement en gestation depuis des milliards d’années. Pendant le temps entre la formation d’une paire de trous noirs et leur fusion éventuelle, l’univers grandit profondément. Si les aspects les plus subtils de la théorie d’Einstein sont soigneusement examinés, une possibilité surprenante émerge : les masses de trous noirs pourraient croître au même rythme que l’univers, un phénomène que Croker et son équipe appellent couplage cosmologique.

L’exemple le plus connu de matériau couplé cosmologiquement est la lumière elle-même, qui perd de l’énergie à mesure que l’univers grandit. “Nous avons pensé à considérer l’effet inverse”, a déclaré Duncan Farrah, co-auteur de la recherche et professeur de physique et d’astronomie à UH M?noa. “Qu’est-ce que LIGO — Virgo observerait si les trous noirs étaient couplés cosmologiquement et gagnaient de l’énergie sans avoir besoin de consommer étoiles ou 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 pour former des trous noirs étaient alors liées à la taille de l’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 beaucoup plus de fusions. Lorsque les chercheurs ont comparé les données LIGO — Virgo à leurs prédictions, ils se sont assez bien entendus. “Je dois dire que je ne savais pas quoi penser au début”, a déclaré Gregory Tarlé, co-auteur de la recherche 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 pris soin de souligner que le mystère de LIGO – les trous noirs massifs de la Vierge est loin d’être résolu.

“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 persistent tout au long de leur vie”, a déclaré Michael Zevin, co-auteur de la recherche et chercheur Hubble Fellow Dr. Michael Zevin. une population stellaire simulée qui reflète les données dont nous disposons actuellement, il y a beaucoup de marge de manœuvre. Nous pouvons voir que le couplage cosmologique est une idée utile, mais nous ne pouvons pas encore mesurer la force de ce couplage.”

Le co-auteur de la recherche et professeur de physique et d’astronomie de l’UH M?noa, Kurtis Nishimura, a exprimé son optimisme pour les futurs tests de cette nouvelle idée : de nouvelles techniques d’analyse. Cela sera mesuré bien assez tôt.”