Les dernières recherches montrent que le plus grand trou noir de l'univers n'a probablement pas été formé par l'effondrement direct d'une seule étoile massive, mais a été construit par une série de fusions violentes « couche par couche » au plus profond d'amas d'étoiles extrêmement peuplés. Cette étude menée par l'Université de Cardiff au Royaume-Uni a souligné que les trous noirs les plus lourds observés dans les observations astronomiques des ondes gravitationnelles appartiennent à un groupe indépendant et que leur histoire de naissance ressemble plus à un « arbre généalogique multigénérationnel des trous noirs » qu'à la fin de l'évolution des étoiles ordinaires.
L'équipe de recherche scientifique a systématiquement analysé la quatrième édition du catalogue Gravitational Wave Transient Catalog (GWTC-4) publié par la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA, qui comprenait 153 événements de fusion de trous noirs hautement crédibles. Les chercheurs ont accordé une attention particulière aux trous noirs les plus massifs de l'échantillon pour vérifier s'ils sont les produits de la « deuxième génération » ou même de « générations » supérieures - c'est-à-dire que les premiers trous noirs ont fusionné en amas d'étoiles denses pour générer des trous noirs plus massifs, et ces trous noirs sont entrés en collision et ont fusionné à nouveau au cours de l'évolution ultérieure, et ont continué à prendre du poids. Dans ce type d'amas d'étoiles dense, la densité spatiale des étoiles et des objets compacts peut être un million de fois supérieure à celle à proximité du soleil, offrant ainsi une scène naturelle pour les « fusions en série » de trous noirs.
Les résultats de la recherche ont été publiés dans le dernier numéro de « Nature Astronomy ». Les caractéristiques statistiques données dans l'article montrent que le groupe de trous noirs le plus lourd observé par les ondes gravitationnelles présente des différences évidentes dans la distribution de masse et de spin par rapport aux trous noirs formés par l'effondrement d'étoiles ordinaires et doit être considéré comme un groupe indépendant façonné par des fusions hiérarchiques. En d’autres termes, les ondes gravitationnelles ne se contentent pas de « compter » les événements de collision de trous noirs, mais commencent également à révéler comment et où les trous noirs se développent, et contraignent inversement la théorie de l’évolution des étoiles massives et des amas d’étoiles.
Grâce à une modélisation détaillée et à une analyse des signaux d'ondes gravitationnelles, les chercheurs ont séparé deux populations principales de trous noirs dans l'échantillon : l'une est un trou noir de masse inférieure, dont les propriétés sont fondamentalement cohérentes avec le modèle traditionnel d'effondrement stellaire ; l’autre est un trou noir de masse nettement plus élevée, dont les caractéristiques de spin sont tout à fait cohérentes avec les attentes de fusions hiérarchiques multiples dans des amas d’étoiles denses. L’étude du spin des trous noirs de haute qualité est particulièrement cruciale car la taille et la direction du spin enregistrent l’historique de fusion des trous noirs qui l’ont précédé.
L'article souligne que les spins des groupes de trous noirs de haute qualité sont non seulement généralement plus rapides, mais ont également une distribution presque aléatoire des directions de rotation, ce qui est complètement différent de l'état de spin « aligné de manière ordonnée » dans l'évolution typique des étoiles binaires. Cela a surpris l’équipe de recherche et a grandement renforcé la crédibilité de « l’origine des amas d’étoiles denses ». Par rapport aux catalogues d'ondes gravitationnelles précédents, plus petits et plus anciens, les systèmes de haute qualité dans cette analyse "sautent" de manière plus évidente dans l'espace des paramètres, renforçant le jugement selon lequel ils appartiennent à un groupe indépendant.
En plus de décrire le chemin de croissance des trous noirs monstrueux, cette recherche fournit également l'une des preuves observationnelles les plus solides à ce jour pour une prédiction de longue date en astrophysique : le « fossé de masse » des trous noirs. La théorie est que les étoiles extrêmement massives subiront un violent processus d’instabilité de paire avant de mourir, explosant violemment et se détruisant complètement, ne laissant plus de restes de trous noirs. Cela signifie que dans une certaine plage de masse, les étoiles ne devraient pas produire directement de trous noirs, formant ainsi une « zone interdite ».
L’équipe de recherche a trouvé des signes de cette transition dans l’échantillon : vers environ 45 masses solaires, la répartition des trous noirs a considérablement changé. Fabio Antonini, l'auteur principal de l'article, a déclaré avoir vu dans les données des preuves d'un "écart de masse d'instabilité" prévu depuis longtemps - une plage de masse dans laquelle les étoiles ne devraient pas laisser derrière elles des trous noirs. Cependant, les détecteurs d’ondes gravitationnelles ont découvert avec succès des trous noirs au niveau ou à proximité de cet espace, concentrés à environ 45 masses solaires. Cela soulève une question clé : ces trous noirs remettent-ils en cause les modèles existants d'évolution stellaire, ou ne sont-ils tout simplement pas formés directement à partir d'une seule étoile, mais sont-ils « reconstitués » par une autre voie : les fusions hiérarchiques ?
La recherche montre que dans l’échantillon actuel, les informations véhiculées par les trous noirs les plus massifs indiquent davantage les effets dynamiques des amas d’étoiles, plutôt que la simple évolution d’étoiles uniques. Lorsque la masse d’un trou noir dépasse environ 45 masses solaires, sa distribution de spin change soudainement de manière significative. Ceci est difficile à expliquer à travers l'évolution du binaire des étoiles ordinaires, mais cela peut être naturellement compris par "ces trous noirs ont connu plusieurs séries de fusions dans des amas d'étoiles denses". Cela confirme encore l’idée selon laquelle les trous noirs monstrueux sont empilés et se développent de génération en génération au plus profond des amas d’étoiles.
Le travail relie également l’astronomie des ondes gravitationnelles aux processus de physique nucléaire à l’intérieur des étoiles. L’équipe a utilisé le point tournant proche de l’écart de masse pour déduire une réaction nucléaire clé impliquée dans la combustion de l’hélium des étoiles massives, offrant ainsi une nouvelle façon d’étudier les processus nucléaires au plus profond du cœur des étoiles. Les chercheurs ont déclaré qu'avec l'accumulation d'observations d'ondes gravitationnelles dans le futur, les scientifiques pourraient être en mesure de déduire inversement la chaîne complexe de réactions nucléaires à l'intérieur de l'étoile à travers la forme fine de la distribution de masse et de l'écart de masse du trou noir.
Fani Dosopoulu, co-auteur de l'article, et d'autres ont souligné que la soi-disant limite supérieure de masse fixée « pour l'instabilité » dépend directement des réactions nucléaires spécifiques qui se produisent dans le noyau des étoiles massives. Par conséquent, l’accumulation continue de données sur les ondes gravitationnelles réécrira non seulement notre compréhension des populations de trous noirs, mais pourrait également devenir un nouveau « laboratoire » expérimental pour l’étude de la physique nucléaire. Pour l'univers, chaque fusion de trous noirs est un événement violent et de courte durée, mais avec l'aide de « l'audition » des ondes gravitationnelles, les humains utilisent ces vibrations momentanées pour reconstruire la longue histoire des trous noirs monstrueux qui se développent tranquillement dans les profondeurs de l'univers.