LA PLUS LOURDE COLLISION DE TROUS NOIRS NE TOURNAIT PAS EN ROND

Le 23 novembre 2023, les observatoires LIGO de Hanford et de Livingston ont enregistré GW231123, la fusion de deux trous noirs la plus massive rapportée à ce jour. En supposant une orbite circulaire, l’analyse standard donnait des masses d’environ 137 et 101 fois celle du Soleil, les deux tournant extrêmement vite sur eux-mêmes.

Ces chiffres dérangent. Le plus petit trou noir tombe dans ce qu’on appelle le trou de masse de l’instabilité de paire, une gamme de masses que l’effondrement ordinaire d’une étoile a du mal à produire. Une issue possible : une fusion hiérarchique. Dans un milieu encombré, comme un amas d’étoiles dense, le reste d’une première fusion reste sur place et fusionne plus tard à nouveau. L’article rappelle un indice utile : quand deux trous noirs de masses voisines et peu tournants fusionnent, le reste tourne typiquement à une valeur d’environ 0,7, sur l’échelle sans dimension des physiciens, où une valeur proche de 1 signifie une rotation quasi extrême.

Seulement quelques cycles

GW231123 était bref : seulement quelques cycles d’onde mesurables avant le plongeon final. Son interprétation dépend donc beaucoup du modèle de forme d’onde. Une propriété est particulièrement difficile à cerner : l’excentricité, c’est-à-dire à quel point l’orbite est ovale. L’émission d’ondes gravitationnelles tend à arrondir l’orbite des couples anciens et isolés, mais les rencontres rapprochées dans les milieux denses peuvent laisser une part d’excentricité. Sur quelques cycles seulement, une orbite ovale peut imiter le vacillement de trous noirs en rotation. Si un modèle ignore l’excentricité, les rotations peuvent absorber sa signature.

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Baoxiang Wang et Tao Yang, de l’université de Wuhan, avec des collègues de l’université normale de Pékin, de l’Institut Max Planck de physique gravitationnelle à Potsdam et de l’université de Ningbo, ont réanalysé les données publiques avec un modèle de forme d’onde qui autorise à la fois l’excentricité et la précession des rotations. Différence clé : pour le détecteur de Hanford, dont les données publiques avaient été nettoyées d’un parasite, ils sont partis de 11 hertz au lieu de 20. L’excentricité est plus forte aux basses fréquences : ce début du signal compte le plus.

L’excentricité de l’orbite ressort à 0,34, définie à une fréquence de 5,5 hertz.
Le modèle excentrique est favorisé par un facteur de Bayes de 10,2 : les données sont environ dix fois mieux expliquées par une orbite ovale que par une orbite circulaire.
En partant de 20 hertz, comme les études précédentes, ils trouvent peu d’excentricité — en accord avec ces études.

Pour vérifier, ils ont fabriqué un faux GW231123 à orbite ovale et l’ont analysé de la même façon. Il s’est comporté exactement comme le vrai : nettement excentrique à partir de 11 hertz, beaucoup moins à partir de 20. Partir trop haut peut cacher une orbite ovale.

L’énigme des rotations se desserre

Autoriser l’excentricité change surtout le plus petit trou noir. Sa rotation passe de 0,90 dans l’analyse circulaire à environ 0,74, proche du 0,7 attendu pour le reste d’une fusion antérieure. Le faux signal montre le même effet : analysé comme circulaire, son petit trou noir semble tourner plus vite qu’en réalité.

Le plus gros trou noir reste rapide dans les deux cas, et sa masse cadre mal avec une simple origine de deuxième génération. Les deux trous noirs auraient donc des histoires différentes : le plus petit, peut-être l’enfant de deux trous noirs antérieurs ; le plus gros, formé autrement. Ajouter la possibilité d’une lentille gravitationnelle sur la ligne de visée ne change pas le résultat excentrique.

Ce que cela change

Des études antérieures se servaient du plus petit trou noir de GW231123 pour situer la limite haute du trou de masse de l’instabilité de paire. Si ce trou noir est lui-même issu d’une fusion, estiment les auteurs, sa masse ne peut pas fixer cette limite à elle seule. Un facteur de Bayes de 10 est un indice plutôt qu’une preuve — les auteurs notent eux-mêmes que des signaux réellement excentriques ne donnent pas toujours une préférence forte quand le signal est court. Quand une frontière de population repose sur quelques événements inhabituels, concluent-ils, les hypothèses de forme d’onde derrière ces événements pèsent directement.