Une équipe internationale dirigée par l'Institut de physique des hautes énergies (IGFAE) de l'Université de Saint-Jacques-de-Compostelle en Espagne a mesuré pour la première fois conjointement la vitesse de « recul » et la direction des trous noirs après leur fusion. Ce résultat a été publié dans Nature Astronomy. La recherche montre que les ondes gravitationnelles transportent non seulement de l'énergie, mais aussi de l'élan, donnant au trou noir final un « coup d'envoi » de recul après la fusion des trous noirs, lui permettant de se déplacer à travers l'univers à une vitesse considérable.

Les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans l’espace-temps prédites par Einstein dans sa théorie de la relativité générale de 1916. Lorsque des corps célestes extrêmement denses et massifs, tels que les trous noirs, entrent en collision violemment, de telles fluctuations sont provoquées et se propagent dans toutes les directions de l'univers. Étant donné que les ondes gravitationnelles transportent l'énergie et l'élan du système, une fois que le rayonnement des ondes n'est pas complètement symétrique dans la distribution spatiale, le trou noir résultant reculera sous la poussée « déséquilibrée », également appelée « le trou noir a été frappé ». La force du recul est étroitement liée à la masse et à la rotation des deux trous noirs initiaux, tandis que la direction du recul dépend de la configuration géométrique de l'ensemble du système dans l'espace.

Dans le passé, les scientifiques étaient principalement capables de mesurer quelques paramètres géométriques tels que l’inclinaison orbitale à partir des signaux d’ondes gravitationnelles. Un autre angle clé, l’angle azimutal, a été difficile à obtenir avec précision. Cette équipe de recherche a découvert que les « modes d'ordre supérieur » dans les ondes gravitationnelles contiennent des informations géométriques auparavant difficiles à lire, qui peuvent être utilisées pour restaurer cet angle manquant et calculer la direction tridimensionnelle du recul.

Les chercheurs ont utilisé l’événement d’onde gravitationnelle GW190412, détecté conjointement par les observatoires Advanced LIGO et Virgo en 2019, comme échantillon pour vérifier la méthode. Dans ce cas, les masses des deux trous noirs ne sont évidemment pas égales, ils présentent donc des caractéristiques de mode d'ordre élevé clairement discernables dans le signal, ce qui est très approprié pour une analyse fine. Grâce à des simulations numériques précises basées sur les équations d'Einstein, l'équipe a calculé que la vitesse de recul du trou noir fusionné dépasse 50 kilomètres par seconde, ce qui est suffisamment rapide pour qu'il s'échappe de certains amas d'étoiles denses (tels que certains amas d'étoiles globulaires). Le facteur Bayes donné par l'analyse statistique est d'environ 21, ce qui correspond à un niveau de confiance d'environ 95 %, ce qui conforte fortement cette conclusion.

Tout en déterminant la vitesse, l’équipe a également comparé la direction du recul avec des directions de référence telles que l’axe de l’orbite du système et la direction d’observation de la Terre. Les résultats ont montré que le « coup de pied » n’était pas le long du plan orbital ni pointé directement vers la Terre, mais dans une direction intermédiaire entre les deux. Le professeur Juan Calderon-Bustillo, l'un des membres du projet, a fait une analogie : le signal des ondes gravitationnelles est comme un orchestre. Selon la position d'une personne, les « instruments » entendus seront différents, et cette « différence de couleur » aide les scientifiques à reconstruire la trajectoire de mouvement du trou noir dans l'espace tridimensionnel. Le Dr Kustav Chandra de l'Université d'État de Pennsylvanie a souligné que cette méthode équivaut à reconstruire le véritable mouvement de corps célestes à des milliards d'années-lumière en utilisant uniquement des « ondulations » dans l'espace et le temps.

L'auteur a déclaré que des mesures de recul aussi précises sont particulièrement importantes pour étudier les fusions de trous noirs qui se produisent dans des environnements spéciaux. Par exemple, dans les noyaux galactiques actifs dotés de disques d’accrétion, les fusions de trous noirs peuvent être accompagnées de signaux tels que la lumière visible et le rayonnement électromagnétique. La possibilité d'observer ces éclairs dépend en grande partie de la relation géométrique relative entre la direction du recul et la Terre. Par conséquent, connaître la direction du recul peut aider les astronomes à déterminer si un certain événement d’onde gravitationnelle et un sursaut électromagnétique proviennent réellement du même événement cosmique, ou s’il s’agit simplement d’une coïncidence temporelle.

L'équipe de recherche estime que ces travaux marquent que l'astronomie des ondes gravitationnelles sort progressivement de l'étape où « seules les fusions auditives se produisent » et entre dans une nouvelle étape qui permet de cartographier méticuleusement la structure spatiale et les processus dynamiques des événements. À l’avenir, à mesure que la sensibilité des détecteurs et les échantillons d’événements augmenteront, la mesure simultanée de la vitesse de recul et de la direction des trous noirs deviendra une méthode de routine, aidant la communauté scientifique à comprendre plus clairement comment les trous noirs se développent et migrent dans l’univers et façonnent l’évolution des galaxies et des structures à grande échelle.