Depuis la détection en 2015 des premières ondes gravitationnelles, les astrophysiciens disposent d'un nouveau « messager » pour étudier les phénomènes les plus violents de l'Univers, parmi lesquels, la fusion de deux trous noirs en orbite l'un autour de l'autre. Les interféromètres géants de la collaboration LIGO-Virgo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ont détecté à plusieurs reprises les signatures de tels événements mais de nombreuses caractéristiques des objets compacts impliqués demeurent encore inconnues.
De quelle histoire provient un système binaire de trous noirs stellaires qui fusionnent ? Deux étoiles massives naissent dans le même nuage interstellaire. Au cours de leur vie, elles échangent de la matière entre elles puis, au bout de quelques dizaines de millions d'années, implosent en supernova, l'une après l'autre, en formant un duo de trous noirs. Ceux-ci orbitent l'un autour de l'autre et se rapprochent lentement, pendant plusieurs milliards d'années, et finissent par fusionner en émettant des ondes gravitationnelles. Quelles sont plus précisément les étoiles « progénitrices » qui réussissent le casting pour ce scénario ?
Un bref épisode dans la vie du couple stellaire semble essentiel : l' « enveloppe commune » qui le voit immergé entièrement dans un gaz. Un important transfert de masse se produit alors entre les deux astres et l'orbite du système binaire décroît rapidement, conduisant potentiellement à leur fusion.
Pour en savoir plus, les chercheurs ont adapté à ce cadre particulier un outil de simulation de l'évolution hydrodynamique stellaire et des interactions entre étoiles et l'ont utilisé pour décrire l'évolution d'étoiles pouvant s'achever par une fusion.
Leurs calculs indiquent des taux de fusion compris entre 0,2 et 5 par an et par gigaparsec3 (1 Gpc = 3,26 millions d'années-lumière) dans l'Univers local, soit entre 1,2 et 3,3 détections annuelles possibles de fusion de trous noirs de masse inférieure à 10 masses solaire. Ce chiffre est compatible avec les événements détectés par LIGO-Virgo lors des premières campagnes d'observation.
Ce résultat conforte la méthode utilisée pour étudier les trous noirs stellaires susceptibles de fusionner et de se manifester par l'émission d'un signal gravitationnel. En particulier, seuls les trous noirs « survivant » à la phase d'enveloppe commune sont capables ensuite de fusionner en un temps inférieur à la durée de vie de l'Univers.
A fait l'objet d'un communiqué de presse.