Un Hum Cosmique Mystérieux : Les Ondes Gravitationnelles des Étoiles Sombres Anciennes
Un fond faible d’ondes gravitationnelles de très basse fréquence détecté par des réseaux de pulsars pourrait renfermer des indices sur des événements survenus il y a plus de 13 milliards d’années, y compris l’émergence de certains des premiers trous noirs supermassifs de l’Univers.
Dans une étude publiée dans Physical Review D, des chercheurs de l’Université Colgate, Sohan Ghodla et Cosmin Ilie, ont examiné si les trous noirs supermassifs issus de l’Univers primitif pouvaient produire une part significative du fond d’ondes gravitationnelles actuellement mesuré par les réseaux de synchronisation de pulsars, ou PTA. Les résultats établissent un lien entre deux domaines de l’astronomie qui semblent a priori éloignés : l’observation de trous noirs massifs existant lorsque l’Univers était jeune et les ondes gravitationnelles générées des milliards d’années plus tard par des paires de trous noirs supermassifs en spirale.
Les chercheurs ont trouvé qu’une classe possible de graines de trous noirs précoces, des restes laissés par des étoiles sombres supermassives, pourrait potentiellement fournir une contribution dominante au signal PTA.
Les réseaux de synchronisation de pulsars reposent sur des étoiles à neutrons en rotation rapide, connues sous le nom de pulsars, qui agissent comme des horloges extrêmement précises dans l’espace. Lorsque des ondes gravitationnelles traversent l’Univers, elles provoquent de légers changements dans le timing des impulsions radio qui parviennent finalement sur Terre. En suivant de nombreux pulsars sur de longues périodes, des équipes de recherche internationales ont trouvé des preuves d’un fond d’ondes gravitationnelles stochastique à des fréquences nanohertz.
L’explication astrophysique la plus largement acceptée pour ce fond est une population de binaires de trous noirs supermassifs spirales progressivement l’un vers l’autre. Les systèmes dont les trous noirs ont une masse combinée supérieure à environ un milliard de soleils contribuent particulièrement aux fréquences détectées par les PTA.
Les chercheurs ont également exploré deux voies possibles pour produire des graines de trous noirs massifs dans l’Univers primitif : les trous noirs issus d’un effondrement direct et ceux formés par l’effondrement d’étoiles sombres supermassives. Ces dernières, des étoiles primitives hypothétiques, recevraient une grande partie de leur énergie de la chaleur associée à la matière noire plutôt que de la fusion nucléaire ordinaire.
Les résultats indiquent que si des restes d’étoiles sombres supermassives existaient à une densité numérique d’environ 10-3 Mpc-3, leurs descendants pourraient fournir une grande part, voire dominante, du signal d’ondes gravitationnelles mesuré par les PTA. En revanche, la population de trous noirs issus d’effondrements directs semble avoir été beaucoup moins courante.
Cette étude permet également de conclure que les mes actuelles des PTA peuvent établir des limites sur la fréquence des premières graines de trous noirs supermassifs.
Les découvertes établissent un nouveau lien d’observation entre des questions majeures en cosmologie moderne, y compris la nature de la matière noire, la formation des premiers objets lumineux, et les origines des trous noirs supermassifs.
Source : Physical Review D
